一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术实施例提供的一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法及装置，通过根据指数宽谱模型理论，通过Fortran自编程求解传统空气燃烧和富氧燃烧涉及的CO

【技术实现步骤摘要】
一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法及装置
本专利技术涉及富氧燃烧领域，尤其涉及一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法及装置。
技术介绍
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KlasAndersson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。上述的研究结果为富氧燃煤系统的工程实践提供了必要的基础。但是，由于富氧燃烧技术炉内火焰特征、燃烧产物以及换热情况与常规煤粉炉有较大差别，即富氧燃煤系统产生的烟气成分主要是CO2、O2和H2O，这将导致其传热性能(尤其是辐射换热)相差很大，因此锅炉结构和尺寸也将发生较大的变化。例如对于一台常规煤粉然燃烧锅炉，由于空气中O2/N2比例是一定的，当过量空气系数一定时，烟气量是确定的；对于富氧燃烧技术，O2/CO2比例是可以调节的，即使过量空气系数一定，烟气量也是可以调节的。因此，有可能在燃烧、辐射传热、对流传热等方面作进一步的优化设计，使煤粉的燃烧与燃尽，污染物的产生，传热及阻力损失，材料消耗，运行费用等方面达到最佳工况，使电站锅炉的设计上一个新的台阶。有文献认为富氧燃烧锅炉的燃烧产物容积要减少一半左右，所以其炉膛出口烟窗的流通截面也相应要缩小一半，同时炉膛出口后面的烟道，高温过热器、低温过热器、省煤器、空气预热器等对流受热面都应该布置得更紧。有研究表明对实际的燃烧设备来说，在确定的运行工况下，对于一定的燃料消耗量，提高助燃空气中的氧气体积比，即使只有百分之几，燃烧所需的理论空气量也会显著减少，这样就可以选用较小的风机，从除尘角度来说，在总尘量不变的情况下，由于空气量的减少导致烟气量减少，烟气中粉尘浓度增大，有利于除尘收集，同时除尘设备的体积可以相应减小。和传统的空气燃烧相比，富氧燃烧条件下烟气气相辐射特性发生变化主要表现在两个方面。首先，在富氧燃烧条件下，由于采用再循环烟气与纯氧混合作为助燃气体，没有N2的引入，从而使得锅炉尾部烟气中三原子气体(主要为CO2和H2O)的体积份额远远高于传统的空气燃烧。在富氧燃烧条件下，烟气中三原子气体的体积份额高达0.75～0.95，而对于传统空气燃烧，三原子气体的体积份额一般仅为0.2～0.25。其次，富氧燃烧条件下，烟气中H2O和CO2比值的变化范围更大，若采用干循环，炉膛内烟气中H2O和CO2的比值会很小。富氧燃烧条件下烟气辐射特性与传统燃烧存在明显差异，而目前锅炉炉膛烟气辐射传热的计算方法只针对传统的空气燃烧，三原子气体CO2和H2O的压力行程范围不能涵盖富氧燃烧，直接将目前的烟气辐射传热计算方法应用于富氧燃烧可能会引起很大偏差，难以实现富氧燃烧锅炉设计和校核热力计算的准确进行。因此，必须对目前的烟气辐射传热计算方法进行验证和修正，以便使其能应用于富氧燃烧锅炉的辐射传热计算。因此，富氧燃烧条件下烟气辐射特性与传统燃烧存在明显差异，直接将目前的烟气辐射传热计算方法应用于富氧燃烧可能会引起很大偏差，难以实现富氧燃烧锅炉设计和校核热力计算的准确进行是本领域技术人员需要解决的技术问题。发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法，其特征在于，包括：S1：根据指数宽谱模型理论，通过Fortran自编程求解传统空气燃烧和富氧燃烧涉及的CO

【技术特征摘要】
1.一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法，其特征在于，包括：S1：根据指数宽谱模型理论，通过Fortran自编程求解传统空气燃烧和富氧燃烧涉及的CO2+H2O混合气体的气体发射率；S2：以所述气体发射率为原始数据，根据灰气体加权和模型理论对预设的灰气体加权和模型进行修正和拓展操作，获得修正灰气体加权和模型；S3：对所述修正灰气体加权和模型进行求解，获得锅炉烟气发射率。2.根据权利要求1所述的一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：S201：在预设的灰气体加权和模型设置第四个灰体；S202：对所述设置了四个灰体的灰气体加权和模型的I＝4、J＝4的情况进行数据优化拟合，获得4灰体、3次温度多项式拟合，同时对所述设置了四个灰体的灰气体加权和模型的I＝4、J＝5的情况进行数据优化拟合，获得4灰体、4次温度多项式拟合，获得修正灰气体加权和模型。3.根据权利要求2所述的一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法，其特征在于，所述步骤S202具体包括：S202001：设置温度T的参数优化范围，每隔预设温度段设置一个温度点，设置几何行程L的参数优化范围，对所述几何行程L进行非等间距取点，获得不同间距的几何行程数据点；S202002：根据所述温度点和所述几何行程数据点对所述设置了四个灰体的灰气体加权和模型的I＝4、J＝4的情况和所述设置了四个灰体的灰气体加权和模型的I＝4、J＝5的情况进行数据优化拟合，获得修正灰气体加权和模型。4.根据权利要求1所述的一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：检测实际烟气中CO2和H2O浓度及浓度比，并根据所述CO2和H2O浓度及浓度比获取所述修正灰气体加权和模型中对应的模型参数；根据获取的模型参数进行求解，获得锅炉烟气发射率。5.根据权利要求1所述的一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法，其特征在于，所述步骤S2之后还包括：通过修正后的四步反应机理修正挥发分均相燃烧模型并模拟出H2浓度和火焰温度；根据所述模拟出的H2浓度和火焰温度更新所述修正灰气体加权和模型；所述修正后的四步反应机理为：CHyOx+(0.5+0.25y-0.5x)O2→CO+0.5yH2OCO+0.5O2→CO2CO+H2O→CO2+H2H2+0.5O2→H2O。6.根据权利要求1所述的一种600MW富氧燃烧锅炉数值模拟计算方法，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：李德波，钟俊，冯永新，周杰联，湛志钢，殷立宝，余岳溪，李方勇，
申请(专利权)人：广东电网有限责任公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44