一种富氧锅炉的烟气成分计算方法与流程

本发明涉及锅炉热力学领域，具体地，涉及一种富氧锅炉的烟气成分计算方法。

背景技术：

富氧燃烧是指一种在现有燃煤发电技术基础上用纯氧或富氧气体混合物代替助燃空气，实现化石燃料低碳利用的技术。通过烟气再循环，燃烧干烟气中CO2含量可达到80％以上，再经过压缩纯化过程即可达到95％以上，以满足大规模管道输送和存储的需要。

富氧燃烧由于使用氧气作为助燃剂，烟气成分与常规锅炉不同，大量的烟气进行再循环，而烟风系统为闭式循环，系统的漏风及空预器烟气的交换将严重影响炉内助燃剂的成分，这些造成了计算富氧锅炉的烟气成分的难度。对此，现有技术在计算富氧锅炉的烟气成分时，通常不考虑系统的漏风及空预器烟气的交换对烟气成分的影响，即使是在理论情况下计算烟气成分，据此获得的计算结果与实际情况并不符合，从而在基于热力计算参数(包括烟气成分)设计锅炉时，会影响锅炉设计的精确度。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种富氧锅炉的烟气成分计算方法，用于解决现有技术中进行富氧锅炉的烟气成分计算时不考虑系统的漏风及空预器烟气的交换对烟气成分的影响的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种富氧锅炉的烟气成分计算方法，该烟气成分计算方法包括：检测所述富氧锅炉的运行工况；以及在所述运行工况满足边界参数要求的情况下，计算富氧锅炉各点的烟气成分；其中，所述计算富氧锅炉各点的烟气成分包括：结合富氧锅炉的空预器漏风率计算富氧锅炉的空预器出口烟气成分。

优选地，所述边界参数包括空气漏风率、过氧系数、循环倍率、入炉膛氧分压、一次风氧风压、一次风氧浓度以及一次风注氧量中的一者或多者。

优选地，所述结合富氧锅炉的空预器漏风率计算富氧锅炉的空预器出口烟气成分包括：若所述空预器为管式空预器，则所述空预器出口烟气成分与富氧锅炉的炉膛出口烟气成分相同；若所述空预器为容克式空预器，则采用以下公式计算所述空预器出口烟气成分：

V_x^KYQ＝V_x^LT+L₁^KYV_x¹¹+L₂^KYV_x²¹

式中，V_x^KYQ表示空预器出口烟气成分中各气体的含量，V_x^LT表示炉膛出口烟气成分中各气体的含量，L₁^KY和L₂^KY分别为一次风和二次风相对于空预器的空预器漏风率，V_x¹¹和V_x²¹分别为一次风机入口的烟气成分中的各气体的含量和二次风机入口的烟气成分中的各气体的含量，其中下标x表示各气体，包括有二氧化碳、二氧化硫、水蒸汽、氧气、氮气和氩气。

优选地，所述计算富氧锅炉各点的烟气成分还包括：采用以下公式计算富氧锅炉的炉膛出口烟气成分，

V_CO2^LT＝V_CO2°+V_CO2¹²+V_CO2²²；

V_SO2^LT＝V_SO2°+V_SO2¹²+V_SO2²²；

V_H2O^LT＝V_H2O°+V_H2O¹²+V_H2O²²；

V_O2^LT＝V_O2°×(α_OX-1)；

V_N2^LT＝V_N2°+V_N2¹²+V_N2²²；

V_Ar^LT＝V_Ar¹²+V_Ar²²；

式中，V_CO2^LT、V_CO2°、V_CO2¹²和V_CO2²²分别表示炉膛出口的二氧化碳含量、理论需要二氧化碳含量、一次风机出口二氧化碳含量和二次风机出口二氧化碳含量；V_SO2^LT、V_SO2°、V_SO2¹²和V_SO2²²分别表示炉膛出口的二氧化硫含量、理论需要二氧化硫含量、一次风机出口二氧化硫含量和二次风机出口二氧化硫含量；V_H2O^LT、V_H2O°、V_H2O¹²和V_H2O²²分别表示炉膛出口的水蒸汽含量、理论需要水蒸汽含量、一次风机出口水蒸汽含量和二次风机出口水蒸汽含量；V_O2^LT、V_O2°、α_OX分别表示炉膛出口的氧气含量、理论需要氧气含量和所述边界参数中的过氧系数；V_N2^LT、V_N2°、V_N2¹²和V_N2²²分别表示炉膛出口的氮气含量、理论需要氮气含量、一次风机出口氮气含量和二次风机出口氮气含量；V_Ar^LT、V_Ar¹²和V_Ar²²分别表示炉膛出口的氩气含量、一次风机出口氩气含量和二次风机出口氩气含量。

优选地，所述计算富氧锅炉各点的烟气成分还包括：采用以下公式计算富氧锅炉的引风机入口烟气成分，

V_CO2^YFJ＝V_CO2^KYQ

V_SO2^YFJ＝V_SO2^KYQ

V_H2O^YFJ＝V_H2O^KYQ+V_H2O^kq

V_O2^YFJ＝V_O2^KYQ+V_O2^kq

V_N2^YFJ＝V_N2^KYQ+V_N2^kq

V_Ar^YFJ＝V_Ar^KYQ

V_H2O^kq+V_O2^kq+V_N2^kq＝α_LFV^LT

式中，V_CO2^YFJ、V_SO2^YFJ、V_H2O^YFJ、V_O2^YFJ、V_N2^YFJ和V_Ar^YFJ分别表示引风机入口烟气成分中的二氧化碳、二氧化硫、水蒸汽、氧气、氮气和氩气的含量，V_CO2^KYQ、V_SO2^KYQ、V_H2O^KYQ、V_O2^KYQ、V_N2^KYQ和V_Ar^KYQ分别表示空预器出口烟气成分中的二氧化碳、二氧化硫、水蒸汽、氧气、氮气和氩气的含量，V_H2O^kq、V_O2^kq和V_N2^kq分别表示漏入引风机入口的烟气中的水蒸汽、氧气和氮气的含量，α_LF表示空气漏风率，V^LT表示炉膛出口的总烟气体积。

优选地，所述计算富氧锅炉各点的烟气成分还包括：计算在富氧锅炉的冷凝后烟气成分，且所述冷凝后烟气成分与所述引风机入口烟气成分相同。

优选地，所述计算富氧锅炉各点的烟气成分还包括：计算富氧锅炉的循环烟气的烟气成分、排烟烟气的烟气成分、一二次风机入口的烟气成分以及空预器出口一二次风的烟气成分。

优选地，该烟气成分计算方法还包括：根据计算出的所述富氧锅炉各点的烟气成分，计算所述富氧锅炉各点的烟气成分占所述富氧锅炉的总烟气容积的容积份额。

优选地，该烟气成分计算方法还包括：根据所述富氧锅炉各点的烟气成分占所述富氧锅炉的总烟气容积的容积份额，计算出烟气密度和烟气质量。

通过上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明在富氧锅炉烟气循环迭代计算中，充分考虑富氧锅炉现场工程中存在的各种漏风情况，特别是空预器的漏风对整个迭代计算的影响，其尽量模拟了富氧锅炉现场工程的实际，较高精度地计算了富氧锅炉实际工况下的烟气成分。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明中富氧锅炉的烟气循环逻辑的示意图；

图2是本发明实施例的富氧锅炉的烟气成分计算方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

富氧锅炉中的烟气成分计算是炉内传热及锅炉其他热力计算的基础，现有技术中通常基于锅炉系统不存在漏风的理论情况进行富氧锅炉的烟气成分计算，但在富氧锅炉的实际烟气循环迭代过程中，是存在各种漏风情况的。基于此，本发明提出在富氧锅炉的烟气循环迭代过程，充分考虑现场工程存在的各种漏风情况，特别是空气漏风和空预器漏风对整个烟气循环迭代的影响。如图1所示，其给出了本发明的富氧锅炉的烟气循环逻辑，具体为：通过一次风机送入助燃氧气，并通过二次风机送入循环烟气，助燃氧气和循环烟气再通过引风机送入空预器，空预器获得氧气与循环烟气后，将其送入炉膛以燃烧同样送入炉膛的燃料，炉膛燃烧而生成烟气，该烟气作为排烟烟气，排烟烟气还现时计入有空气漏风和空预器漏风，排烟烟气经过烟气冷凝等一系列处理后，将一部分烟气排出，另一部分烟气则作为循环烟气，再注入氧气后通过空预器重新送入炉膛，最终达到平衡状态。

在上述的本发明的烟气循环逻辑的基础上，本发明的实施例提供了一种富氧锅炉的烟气成分计算方法，用于来计算烟气循环逻辑达到平衡状态时富氧锅炉各点的烟气成分。如图2所示，该烟气成分计算方法包括：

步骤S1，检测所述富氧锅炉的运行工况。

本实施例中，所述步骤S1检测富氧锅炉的运行工况的目的，在于使运行工况满足预先配置的边界参数。所述边界参数是指与本实施例的富氧烟气成分计算过程中应该满足的边界条件相关的参数，而烟气成分会对富氧锅炉的运行工况产生影响，且运行工况中的温度参数等也需要满足其对应的边界条件，因此可通过实时检测富氧锅炉的运行工况，来保证计算烟气成分的过程是在满足边界参数要求的前提下进行的。

本实施例中，富氧锅炉烟气成分计算的边界参数主要包括以下中的一者或多者。

1、过氧系数

过氧系数由实际情况确定，在本实施例的富氧燃烧计算中，过氧系数优选确定为1.15。

2、空气漏风率

本实施例中需要考虑锅炉运行中空气漏入到锅炉内部的情况，因此设定了空气漏风率，空气漏风率指标与锅炉运行负压及设备制造安装指标有关，本实施例中，富氧燃烧过程中的空气漏风率优选为2％，最大不超过5％。

3、循环倍率

本实施例中，以满足送入炉膛循环烟气中氧浓度(即循环烟气中氧气成分的百分比含量)达到设定数值为基础来确定循环倍率，因此在计算起初需要给出循环倍率的假定值，并不断调整循环倍率值以满足上述要求。

4、入炉膛氧分压

本实施例中，可通过相关实验得出最佳入炉膛氧分压，并通过调整循环倍率来控制所述入炉膛氧分压，一般控制在26％—29％，优选为26％，因为通过相关实验可证明入炉膛氧分压在26％时，较常规锅炉燃烧特性最为接近。

5、一次风氧分压

考虑到一次风注氧安全性，本实施例优选为一次风氧分压为18％。

此外，结合行业制定的《锅炉热力计算标准》，可能还需要根据该标准的规定设定其余边界参数，本领域技术人员可根据热力计算标准、锅炉实际工况来选择其余的边界参数，在此不再多述。

步骤S2，在满足所述边界参数要求的情况下，计算富氧锅炉各点的烟气成分。

本实施例中，所述烟气成分主要是指烟气中二氧化碳CO₂、二氧化硫SO₂、水蒸汽H₂O、氧气O₂、氮气N₂和氩气Ar的含量。并且，所述富氧锅炉各点的烟气成分主要包括炉膛出口烟气成分、空预器出口烟气成分、引风机入口烟气成分、冷凝后烟气成分、循环烟气的烟气成分、排烟烟气的烟气成分、一二次风机入口的烟气成分以及空预器出口一二次风的烟气成分。其中，特别地，所述计算富氧锅炉各点的烟气成分包括结合富氧锅炉的空预器漏风率计算富氧锅炉的空预器出口烟气成分，具体的计算过程将在下文进行说明。

下面分别介绍富氧锅炉各点的烟气成分计算的具体过程。

1、炉膛出口烟气成分

炉膛出口烟气成分可表示为V_x^LT，其中上标LT表示炉膛，下标x表示CO₂、SO₂、H₂O、O₂、N₂和Ar。

本实施例中，优选采用以下公式计算所述炉膛出口烟气成分V_x^LT：

V_CO2^LT＝V_CO2°+V_CO2¹²+V_CO2²²；

V_SO2^LT＝V_SO2°+V_SO2¹²+V_SO2²²；

V_H2O^LT＝V_H2O°+V_H2O¹²+V_H2O²²；

V_O2^LT＝V_O2°×(α_OX-1)；

V_N2^LT＝V_N2°+V_N2¹²+V_N2²²；

V_Ar^LT＝V_Ar¹²+V_Ar²²；

式中，V_CO2^LT、V_CO2°、V_CO2¹²和V_CO2²²分别表示炉膛出口的二氧化碳含量、理论需要二氧化碳含量、一次风机出口二氧化碳含量和二次风机出口二氧化碳含量，其中理论需要二氧化碳含量V_CO2°表示不考虑空气漏风和空预器漏风的情况下炉膛燃烧燃料所需要的CO₂的含量。

式中，V_SO2^LT、V_SO2°、V_SO2¹²和V_SO2²²分别表示炉膛出口的二氧化硫含量、理论需要二氧化硫含量、一次风机出口二氧化硫含量和二次风机出口二氧化硫含量；

式中，V_H2O^LT、V_H2O°、V_H2O¹²和V_H2O²²分别表示炉膛出口的水蒸汽含量、理论需要水蒸汽含量、一次风机出口水蒸汽含量和二次风机出口水蒸汽含量；

式中，V_O2^LT、V_O2°、α_OX分别表示炉膛出口的氧气含量、理论需要氧气含量和所述边界参数中的过氧系数，其中V_O2°的值的获得与CO₂的情况相同，过氧系数可确定为1.15；

式中，V_N2^LT、V_N2°、V_N2¹²和V_N2²²分别表示炉膛出口的氮气含量、理论需要氮气含量、一次风机出口氮气含量和二次风机出口氮气含量；

式中，V_Ar^LT、V_Ar¹²和V_Ar²²分别表示炉膛出口的氩气含量、一次风机出口氩气含量和二次风机出口氩气含量。

另外，对于V_x¹²和V_x²²的上标，假设将该上标表示为tt，则第一个t取值为1和2时分别表示一次风机和二次风机，第二个t取值为1和2时分别表示入口和出口。

2、空预器出口烟气成分计算

空预器出口烟气成分可表示为V_x^KYQ，其中上标KYQ表示空预器，下标x表示CO₂、SO₂、H₂O、O₂、N₂和Ar。

本实施例中，空预器主要包括管式空预器和容克式空预器两种，其对应的烟气成分计算方法不相同。

a)管式空预器

管式空预器中，烟气与助燃剂(即氧气)无交换，因此炉膛出口与空预见器出口两处的烟气成分无变化，即V_x^KYQ＝V_x^LT。

b)容克式空预器

容克式空预器需考虑一二次风向烟气侧漏风，即考虑空预器漏风率，空预器漏风率分为一次风对应该空预器的空预器漏风率(即一次风助燃剂向烟气侧漏风率)和二次风对应该空预器的空预器漏风率(即二次风助燃剂向烟气侧漏风率)，本实施例将其假设为L₁^KY为L₂^KY。

据此，对于容克式空预器，需考虑空预器漏风率，故采用以下公式计算所述空预器出口烟气成分：

V_x^KYQ＝V_x^LT+L₁^KYV_x¹¹+L₂^KYV_x²¹

其中，V_x¹¹和V_x²¹分别为一次风机入口的烟气成分中的各气体的含量和二次风机入口的烟气成分中的各气体的含量。

3、引风机入口烟气成分计算

引风机入口烟气成分可表示为V_x^YFJ，其中上标YFJ表示引风机，下标x表示CO₂、SO₂、H₂O、O₂、N₂和Ar。

本实施例中，采用以下公式计算所述引风机入口烟气成分V_x^YFJ：

V_CO2^YFJ＝V_CO2^KYQ

V_SO2^YFJ＝V_SO2^KYQ

V_H2O^YFJ＝V_H2O^KYQ+V_H2O^kq

V_O2^YFJ＝V_O2^KYQ+V_O2^kq

V_N2^YFJ＝V_N2^KYQ+V_N2^kq

V_Ar^YFJ＝V_Ar^KYQ

V_H2O^kq+V_O2^kq+V_N2^kq＝α_LFV^LT

式中，V_H2O^kq、V_O2^kq和V_N2^kq分别表示漏入引风机入口的烟气中的水蒸汽、氧气和氮气的含量，α_LF表示空气漏风率，V^LT表示炉膛出口的总烟气体积。

4、冷凝后烟气成分计算

冷凝后烟气成分可表示为V_x^LN，其中上标LN表示冷凝，下标x表示CO₂、SO₂、H₂O、O₂、N₂和Ar。

本实施例中，所述冷凝后烟气成分与所述引风机入口烟气成分相同，据此可推导出能够采用以下公式来计算所述冷凝后烟气成分V_x^LN：

V_CO2^LN＝V_CO2^YFJ＝V_CO2^KYQ

V_SO2^LN＝V_SO2^YFJ＝V_SO2^KYQ

V_H2O^LN＝V_H2O^YFJ＝V_H2O^KYQ+V_H2O^kq

V_O2^LN＝V_O2^YFJ＝V_O2^KYQ+V_O2^kq

V_N2^LN＝V_N2^YFJ＝V_N2^KYQ+V_N2^kq

V_AR^LN＝V_AR^YFJ＝V_AR^KYQ

V_H2O^kq+V_O2^kq+V_N2^kq＝α_LFV^LT

式中相应参数所表示的含义见上文，在此不再进行赘述。

5、循环烟气的烟气成分云计算、排烟烟气的烟气成分计算、一二次风机入口的烟气成分计算以及空预器出口一二次风的烟气成分计算。

这部分涉及的烟气成分通过在EXCEL表格里面建立循环迭代计算公示，计算公式建立完成后，在EXCEL选项公式下选择启用迭代计算，迭代次数选择1000次，迭代精度选择0.00001，选择好后点击开始计算或选择自动计算即可，然后通过改变输入变量，使得氧分压达到我们所需的参数值(26％——29％)，记录各点气体成分，烟气成分计算完毕。

进一步地，在获得富氧锅炉各点的烟气成分后，本实施例的烟气成分计算方法还包括：根据计算出的所述富氧锅炉各点的烟气成分，计算所述富氧锅炉各点的烟气成分占所述富氧锅炉的总烟气容积的容积份额。

本实施例中，假设γ_x表示气体的容积份额，V_y表示烟气总容积，以炉膛出口为例，则炉膛出口的各气体的容积份额计算公式如下：

V_y＝∑V_x^LT＝V^LT

γ_x＝V_x^LT/V_y

式中，下标x表示CO₂、SO₂、H₂O、O₂、N₂和Ar。

进一步地，得到各气体的容积份额后，还可进一步计算出烟气密度ρ_y和烟气质量G_y，计算公式如下：

ρ_y＝(M_O2×γ_O2+M_CO2×γ_SO2+M_CO2×γ_CO2+M_H2O×γ_H2O+M_N2×

γ_N2+M_Ar×γ_Ar)/22.4

G_y＝ρ_y×V_y

其中，M_x表示气体的摩尔质量。

进一步地，可将上述所有创建好的计算公式以程序的方式设计为相应的功能模块，再在满足边界参数要求的情况下，调用各功能模块计算富氧锅炉实际工况下的烟气成分计算。

下面通过一个示例来说明上述实施例中涉及的富氧锅炉的烟气成分计算方法的具体应用。

该示例中，富氧锅炉的燃料采用煤粉，煤粉的煤质参数如表1所示。

表1煤质参数

除煤质参数外，还应进一步选取用于烟气成分计算的输入变量，这些输入变量中包括有边界参数。本实例中的输入变量如表2所示。

表2输入变量

在已知表1的煤质参数和表2的输入变量的基础上，结合上述实施例中涉及的公式(或公式对应的功能模块)，即可计算得出烟气成分及容积份额分别如表3和表4所示，其中基于得到的烟气成分和容积份额，配合烟气密度等参数，本领域技术人员还可以进一步计算出烟气密度、烟气质量等。

表3烟气成分计算结果

表4容积份额计算结果

根据表3和表4的计算结果，可知采用本实施例的方法计算出的烟气成分结果，能满足边界参数的要求及行业制定的《锅炉热力计算标准》。

综上所述，本发明的实施例在烟气循环迭代计算中，充分考虑富氧锅炉现场工程中存在的各种漏风情况，特别是空预器的漏风对整个迭代计算的影响，其尽量模拟了富氧锅炉现场工程的实际，较高精度地计算了富氧锅炉实际工况下的烟气成分，对今后示范项目及商业运行机组富氧锅炉设计提供基础计算方法。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。