富氧锅炉的性能设计优化

富氧技术应用到锅炉设计中，首先要了解富氧气流与空气气流在炉内燃烧的差别，查明燃烧反应产物在炉内的辐射传热特性，燃料的燃尽情况，以及烟气再循环对炉内工况的影响，为锅炉热力计算提供基本的变量参数。同时，富氧锅炉设计还必须兼顾燃烧产物排放的环保指标。

4.4.2.1　富氧对炉内工况的影响

1）典型燃煤炉

图4-29为某电厂的超临界塔式燃煤锅炉，配置墙式对冲旋流燃烧器（见图4-30），改型设计为富氧燃烧，以产生高浓度CO2气体，系统漏风约占烟气总量的1%，可使空气燃烧状态向富氧燃烧的转换运行。当烟气循环比为75.08%，空气预热器进口前的化学当量比为1.17（相当于炉膛出口处氧的含量2.86%），O2为99.8%时，O2/CO2燃烧状态的烟气密度上升约35%，对流与辐射换热系数分别增加2%和38.3%，烟气流量增加约3.9%，导致对数温差下降17 K，即5.2%部分抵消了。采用CO2气体吹灰、系统气密性结构减少漏泄，确保锅炉气体的容积流量工况与空气燃烧状态相当，确保制粉系统的煤粉输送。改造设计中，确定磨煤机运行性能，保持燃烧器的进风动量恒定，以获得相近的火焰形状［30］。

图4-29　锅炉富氧燃烧系统

图4-30　低NOx燃烧器简图

2）非灰体辐射特性

目前，富氧燃煤锅炉的设计重点在于锅炉炉膛的辐射传热计算。其准确度取决于炉内燃烧产物辐射特性的精确估算，也就是，高浓度CO2和H2O较强的非灰体辐射特性的准确计算。

研究者［31］以某富氧燃煤电站锅炉为例，针对富氧燃烧方式下烟气中高浓度CO2和H2O混合气体发射率的计算问题，以宽带k分布模型为基础，建立了混合气体2.7μm重叠谱带改进模型。计算混合气体在不同温度、不同路径长度下的发射率（见图4-31与图4-32），并与逐线计算和2.7μm重叠谱带差值模型进行对比分析。

图4-31　混合气体在不同温度下的发射率

（a）湿烟气循环　（b）干烟气循环

图4-32　混合气体在不同路径下的发射率

（a）湿烟气循环　（b）干烟气循环

计算表明：在炉内主要烟温区，改进模型与逐线计算结果吻合较好，最大偏差为10%；与差值模型相比，计算精度有所提高，模型更为简单；混合气体发射率随路径长度的增大呈递增趋势，但变化幅度逐渐减小，对炉内辐射换热影响较小。

逐线计算最为准确，依靠气体分子每条谱线的详细数据计算各光谱位置的吸收系数，但计算工作量大。工程中通常将非灰体气体的辐射特性用几种等效灰气体加权代替，精度较低。在指数宽带模型基础上发展起来的宽带k分布模型所附加的假设限制了其准确性。基于宽带k分布模型对混合气体2.7μm重叠谱带进行了处理、提出了改进模型，并进行验证。

3）局限性

根据非灰体辐射特性光谱分布特点，研究者将整个谱带分成5个区域：转动谱带重叠区、2.7μm谱带重叠区、1.87μm谱带重叠区、6.3μm谱带非重叠区以及1.38μm蒸汽辐射带，其中有3个重叠谱带的计算模型需要重新分析。

4.4.2.2　富氧燃煤反应动力学

研究者［27］在同步热分析仪上对年轻褐煤（小龙潭）、烟煤（富源煤）在不同O2含量下的O2/CO2燃烧特性进行实验，以确定其燃烧特性参数及动力学参数。试验表明，随氧气浓度从21%增大到80%，小龙潭年轻褐煤、富源烟煤的着火温度分别从591.65 K、756.15 K下降到561.55 K、722.45 K，燃尽温度分别从898.75 K、984.95 K下降到721.05 K、872.45 K，燃烧时间缩短。(www.xing528.com)

研究采用Coats-Redfern积分法计算出两种煤粉在不同氧气浓度下各温度段的动力学参数。综合燃烧特性指数增大，煤粉的频率因子呈上升趋势，小龙潭年轻褐煤的活化能增大，高温段富源烟煤在氧气浓度达30%及以上时活化能变化趋于平缓。在不同氧气浓度下，两种煤粉的活化能E和频率因子A之间存在动力学补偿效应。

4.4.2.3　富氧对燃料燃尽的影响

各种燃烧装置中的燃烧火焰多为扩散火焰，炭黑主要是富集的燃料在高温区发生了欠氧、热解而逐渐形成的，是一系列复杂的物理化学过程，包括燃料的热解，多环芳烃（PAHs）的形成，炭黑颗粒的初生和表面生长，炭黑团聚体的形成以及炭黑的氧化。

碳氢燃料发烟趋势从小到大依次为烷烃、烯烃、炔烃和芳香烃。它还与温度、火焰中的中间组分等因素相关，PAHs是炭黑形成的前驱物和主要表面增长物质。实验研究［32］发现炭黑数密度的大数值与测量的乙炔（C2H2）浓度相关联，OH则在炭黑氧化过程中扮演关键作用。

4.4.2.4　CFB锅炉设计方案比较

1）受热面布置

常规CFB锅炉设置外置流化床，对锅炉结构的整体布置影响大。其优点是，设CFB外置床控制床温的方式，额定值的再热蒸汽温度不需要喷水，有效减少炉内受热面的布置。但存在维修不便、锅炉造价偏高等问题。分析认为，其锅炉的经济容量在300 MW以上。

当锅炉进气中含氧量为30%时，CFB锅炉炉膛和尾部受热面传热系数的选取同常规CFB锅炉相同；为避免低负荷蒸汽温度不足，采用炉膛内布置高温屏式过热器、中温屏式过热器，尾部仅布置低温过热器为佳。

2）热力计算工况

研究者［33］开展3种不同进气方式（控制空气量和氧量的混合比）的方案设计，保证合适的炉膛烟气速度。设计煤种：War^[4]为6.7%、Aar^[5]为24.99%、Vdaf^[6]为34.02%、Qar^[7]为21.70 MJ/kg。主要热力参数汇总见表4-18。常规410 t/h CFB锅炉炉膛吸热份额（受热面吸热与锅炉总吸热量之比）为62%；而富氧（O2浓度为30%）燃烧时烟气量少，且炉内吸热比上升为76%。在烟气量减少、炉膛高度不变的条件下，炉膛断面尺寸由（7.010×14.370）m2减少为（5.330×12.450）m2，尾部烟气量只相当于常规的291 t/h CFB锅炉的尾部烟气量。

表4-18　几种热力计算工况比较

（续表）

a.水冷壁、水冷蒸发屏、过热蒸汽屏、汽冷式旋风分离器面积；
b.水冷壁、水冷蒸发屏、过热蒸汽屏、汽冷式旋风分离器面积、外置过热器。

3）带外置床的410 t/h富氧燃烧CFB锅炉

外置床通常布置过热器和再热器，工质温度一般为400℃左右；30%的循环灰温度不宜过低，一般设计取500℃以上。循环灰比（捕集灰渣量与排放灰渣量之比）主要用于控制负荷变化和调整床温，如无锡华光的520 t/h再热CFB锅炉外置床吸热份额设计为25%，上锅的300 MW CFB锅炉外置床吸热份额设计为35%。

对于富氧燃烧的CFB锅炉，要关注锅炉的启动。当进气空气含氧量为39%时，外置床的吸热份额为16%，设计中取值为15%。外置床内布置中温过热器，其尾部烟气量相当于220 t/h常规CFB锅炉的尾部烟气量。

4）空气氧量与烟气再循环

对O2/CO2再循环系统，空气氧量也有限制，炉膛受热面积主要取决于平衡烟气量与传热系数，但两者没有明显变化。随进气含氧量的增加，CFB锅炉的热效率提高，但进气含氧量上限为30%；含氧量低于27%时，要降低运行负荷；带外置床的410 t/h富氧燃烧CFB锅炉的进气含氧量限制在39%以内。