[发明专利]一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及富氧燃烧领域，尤其涉及一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法及装置。

背景技术

用于CCS的富氧燃烧技术首先是由Horn和Steinburg于1981年提出的，经美国阿贡国家实验室(ANL)的研究证明只需将常规锅炉进行适当的改造就可以采用此技术。它是采用空气分离获得的纯氧和一部分锅炉排气构成的混和气代替空气作为燃料燃烧时的氧化剂，以提高燃烧排放气中的CO2的浓度，从而便于从烟气中回收利用CO2。O2/CO2方式的煤粉燃烧过程中，通过分离空气制得的纯氧与再循环烟气混合形成O2/CO2混合气，然后提供给燃烧装置，燃烧后的产物基本上都是CO2和少量的水，烟气在经过干燥脱水后CO2的浓度能达到95％以上，而空气燃烧时仅能得到不到20％浓度的CO2尾气。O2/CO2燃烧方式下几乎不需要CO2的分离过程，回收利用十分方便。

对于着火及火焰传播特性，有研究结果表明，高浓度的CO2和较低浓度的O2将导致着火延迟。挥发分的析出在高浓度CO2下也被延迟。然而CO2的存在在测量精度范围内并未影响挥发分完成燃烧所需要的时间。颗粒的着火和挥发分析出的特性在氧气浓度为30％的O2/CO2气氛中和空气中非常相近。瑞典Chalmers理工大学Klas Andersson和FredrikNormann等在一个100kW的富氧燃烧装置上对真实烟气循环时的O2/CO2气氛下燃烧时的在火焰特性和NOx的生成和还原机理进行了研究。烟气的再循环回路包括一个单独的温控冷却器和一个可冷凝的干、湿烟气循环。研究发现，循环倍率减少时，着火提前，燃烧更剧烈，并伴随更高的峰值温度。这是由于给气中氧气浓度的提高，再循环的冷却效果减弱以及测试工况间不同的流动特性造成的。

煤焦动力学方面，结论表明挥发分的析出在氮气和二氧化碳两种气氛下并没有明显差异。1673K时两种气氛下所获得的焦的SEM电镜以及氮气比表面积测量亦无明显差异。这表明，这两种气氛的变化对烟煤的焦的性质并无影响。有研究表明，采用干烟气再循环可使燃烧器附近的温度提高150℃。所以用干循环的烟气作为煤粉输送介质可提高点火的稳定性。纯氧射流在燃烧器附近引起的髙温造成了挥发分析出的过程更加激烈。

污染物NOx生成方面，Okazaki等在小型甲烷平面火焰燃烧器的试验表明在富氧燃烧条件下NOx的排放不到常规空气燃烧的1/3；Croiset等在CANMET的0.3MW的试验炉上也发现再循环之后NOx的排放量要比配比气体下的排放量低40％-50％。Okazaki等认为富氧燃烧条件下NOx排放减少有三方面原因：(1)、环境气氛中高浓度的CO2产生的CO和煤焦还原了NOx；(2)、循环的NOx在挥发份燃烧区域被还原；(3)、循环的NOx与燃料氮的反应。

与常规燃烧方式不同，在O2/CO2方式中，由于烟气再循环中高浓度CO2气体的影响，使得在炉膛出口处高温烟气中CO2浓度与常规燃烧下相差巨大。对于高温烟气的辐射，主要的影响因素有红外气体的组分浓度，气体温度以及气体在实际炉膛内的辐射行程。富氧条件下，气体温度以及组分浓度都与常规燃烧相差较大，故气体辐射的特性也有不同。不过，由于背景的颗粒辐射，高浓度的CO2并没有造成在褐煤富氧燃烧时产生更多的气体辐射。只要温度相近，富氧燃烧和空气燃烧时的总辐射强度相当。因为即使燃料是气体(丙烷)，即使是在温度分布相似的条件下，富氧火焰中也会产生更多的炭黑，所以高CO2浓度也没有给富氧燃烧带来更多的气体辐射。此外，有研究发现，在实际的富氧燃烧过程中，通入锅炉内的氧气浓度应为保证和空气燃烧时相同的辐射换热特性而进行调节。在燃烧测试时，在炉内辐射换热区安装了模拟真实炉腔换热的模拟管，对其在富氧燃烧和空气燃烧时的热吸收量都进行了测量。测量的结果证明，湿再循环富氧燃烧烟气中的氧气浓度为27％时和空气燃烧时具有几乎一致的换热特性。

总的来说，富氧燃烧具有如下优点：

1、尾气CO2浓度极高，不需要从排烟中分离CO2，烟气处理系统更加简单、紧凑，提高了电厂的热经济性和运行效率；

2、部分烟气再循环，使运行过程对温度的控制调节和煤种的选择更为灵活；

3、CO2的高辐射特性加强了传热、并且烟气循环的采用，大量减少了排烟热损失，使得锅炉效率提高；

4、实现了NOx、SOx等污染物的联合控制脱除。在液化处理CO2尾气时，SO2同时也被液化回收，省去了烟气脱硫设备。结合低NOx燃烧技术，还有可能不用或少用脱硝设备。整体上降低了电厂的建设费用。