楊 銘，王春華，王志華，趙占明，李文興，姜冠佳

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

富氧燃燒是采用比空氣中含氧量高的空氣來(lái)助燃。富氧空氣中氧氣濃度一般為27%~33%。目前富氧燃燒的研究主要集中富氧鍋爐內(nèi)的燃燒特性、傳熱特性及污染特性等方面的研究，研究表明[1-7]，在富氧燃燒條件下，火焰溫度升高，燃燒速度加快，燃燒完全程度提高，燃料的燃點(diǎn)溫度降低，燃盡時(shí)間縮短，過(guò)量空氣系數(shù)降低，煙氣量減少；污染物排放（CO、SO2、NOx）降低。雖然目前富氧燃燒的燃燒特性和污染物排放特性研究眾多，但對(duì)于富氧燃燒條件下的燃燒計(jì)算方法卻研究較少。由于富氧燃燒方式與常規(guī)燃燒方式的差別，對(duì)富氧燃燒條件下鍋爐熱力計(jì)算進(jìn)行相關(guān)研究是非常有必要的。雖然國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)此做了不少前瞻性工作[8,9]，主要集中在富氧燃燒條件下?tīng)t膛含高濃度CO2和H2O等輻射氣體的輻射換熱特性，利用新的輻射特性計(jì)算方法來(lái)對(duì)富氧燃燒鍋爐整體進(jìn)行熱力計(jì)算和分析。但并沒(méi)有形成一個(gè)系統(tǒng)的完整的計(jì)算過(guò)程，仍處于探索性認(rèn)識(shí)階段。

因此，筆者以常規(guī)鍋爐熱力計(jì)算中燃料燃燒計(jì)算公式為框架，結(jié)合富氧鍋爐熱力系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出適合富氧燃燒條件下鍋爐熱力計(jì)算的燃料燃燒計(jì)算方法，開(kāi)發(fā)出富氧燃燒條件下鍋爐用燃料燃燒計(jì)算的軟件，為今后發(fā)展和完善富氧鍋爐熱力計(jì)算提供必要的理論基礎(chǔ)。

1 鍋爐富氧燃燒計(jì)算模型

閆凱[10]等人以常規(guī)鍋爐燃料燃燒計(jì)算方法為基礎(chǔ)，建立了富氧燃燒鍋爐的燃料燃燒計(jì)算方法，導(dǎo)出了富氧燃燒條件下燃料所需理論助燃劑量和理論煙氣量的計(jì)算模型，導(dǎo)出了煙氣再循環(huán)和不考慮煙氣再循環(huán)2種條件下的實(shí)際煙氣量、煙氣質(zhì)量、煙氣密度、飛灰質(zhì)量濃度和煙氣焓的計(jì)算公式。為簡(jiǎn)化計(jì)算，筆者運(yùn)用VB6.0對(duì)上述計(jì)算模型進(jìn)行了程序編程，同時(shí)分析了鍋爐操作參數(shù)對(duì)鍋爐燃燒特性的影響。

2 鍋爐富氧燃燒計(jì)算VB程序的實(shí)現(xiàn)

2.1 程序計(jì)算流程

富氧燃燒條件下鍋爐燃料燃燒計(jì)算程序流程如圖1所示。

圖1 程序計(jì)算流程Fig.1 Calculation flow diagram of the program

2.2 程序主要應(yīng)用界面

富氧燃燒條件下鍋爐燃料燃燒計(jì)算程序主要界面如圖2所示。

圖2 程序主要應(yīng)用界面Fig.2 Main interface of the program

3 富氧燃燒條件下鍋爐燃燒特性的因素分析

3.1 氧氣濃度對(duì)理論空氣量和煙氣量的影響

根據(jù)圖3所示，理論空氣量和理論干煙氣量隨著氧氣濃度的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；在低氧氣濃度（<35%）下，隨著氧氣濃度的增加，理論空氣量和理論干煙氣量均顯著減少，而在高氧氣濃度（>35%）時(shí)，兩者減少程度變緩。

圖3 氧氣濃度對(duì)理論空氣量和理論干煙氣量的影響Fig.3 Influence of oxygen concentration on the theory air and dry smoke volume

3.2 氧氣濃度對(duì)鍋爐熱效率的影響

3.2.1 不同排煙溫度下氧氣濃度對(duì)鍋爐熱效率的影響由圖4可知，排煙溫度越高，鍋爐熱效率受氧氣濃度的影響越顯著。

圖4 不同排煙溫度下氧氣濃度對(duì)鍋爐熱效率的影響Fig.4 Influence of oxygen concentration on the boiler thermal efficiency at different smoke temperature

在不同排煙溫度下，鍋爐熱效率隨著氧氣濃度的增加呈上升趨勢(shì)：氧氣濃度越高，鍋爐熱效率越高；在低氧氣濃度下，氧氣濃度對(duì)鍋爐熱效率的影響較為顯著，高氧氣濃度下（>35%），鍋爐熱效率隨著氧氣濃度的增加而增加，但增加緩慢。

3.2.2 不同過(guò)量氧氣系數(shù)下氧氣濃度對(duì)鍋爐熱效率的影響

由圖5可知，在過(guò)量氧氣系數(shù)一定的情況下，隨著氧氣濃度增大，鍋爐熱效率增大。在同一氧氣濃度下，過(guò)量氧氣系數(shù)越小，鍋爐熱效率越高；氧氣濃度低于35%時(shí)，鍋爐熱效率隨著氧氣濃度的增大上升速度加快，氧氣濃度高于35%以后上升速度變緩。

圖5 不同過(guò)量氧氣系數(shù)下氧氣濃度對(duì)鍋爐熱效率的影響Fig.5 Influence of oxygen concentration on the boiler thermal efficiency at different excess oxygen coefficient

3.3 氧氣濃度對(duì)鍋爐燃料消耗量的影響

由圖6可以得知，在溫度一定的情況下，隨著氧氣濃度的增加，所需要的燃料消耗量越少。氧氣濃度在35%以下時(shí)燃料消耗量變化的快，氧氣濃度在35%以后，燃料消耗量變化的緩慢。同一氧氣濃度下，排煙溫度越高，燃料消耗量越多。由此可以得出富氧燃燒優(yōu)越于常規(guī)燃燒。

圖6 氧氣濃度對(duì)鍋爐燃料消耗量的影響Fig.6 Influence of oxygen concentration on the boiler fuel consumption

4 結(jié) 論

運(yùn)用富氧燃料燃燒原理，對(duì)鍋爐操作參數(shù)中氧氣濃度對(duì)鍋爐效率、空氣量、煙氣量的影響，和富氧燃燒條件下排煙溫度、過(guò)量氧氣系數(shù)對(duì)鍋爐熱效率的影響進(jìn)行燃料燃燒計(jì)算，并且開(kāi)發(fā)VB計(jì)算軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析與研究，從而得出一系列結(jié)論：氧氣濃度越高鍋爐熱效率越高，需要的空氣量越少，排出的煙氣量也越少，減少排放。低氧氣濃度（<35%）下，改變氧氣濃度，能夠顯著降低空氣量、排煙量與燃料消耗量，提高鍋爐熱效率；高氧氣濃度（>35%）下，空氣量、排煙量、鍋爐熱效率、燃料消耗量受氧氣濃度的影響減??；降低過(guò)量氧氣系數(shù)，或降低排煙溫度，都能夠有效提高鍋爐熱效率。由此可知，鍋爐采用富氧燃燒，不僅能夠減少燃料消耗量，減少排煙量與空氣量，還能夠提高鍋爐熱效率，但不能夠通過(guò)一味提高氧氣濃度來(lái)達(dá)到提高鍋爐熱效率的目的，要綜合考慮增加富氧系統(tǒng)的成本與獲取收益之間的平衡關(guān)系。

［1］ 宋圓圓. 富氧燃燒方式下燃油鍋爐燃燒特性的研究[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué), 2015.

［2］ Toshiyuki S, Katsumi M , Junichi S, et al. Effect of carbon dioxide on flame propagation of pulverized coal clouds in CO2/O2combustion [J].Fuel, 2007, 86(12/13): 2008-2015.

［3］ Kennedy L A, Saveliev A V, Bingue J, et al. Filtration combustion of a methane wave in air for oxygen-enriched and oxygen-depleted environments [J]. Proc Combust Inst, 2002, 29:835-876.

［4］ 王宏,邱建榮,鄭楚光.燃煤在O2/CO2方式下SO2生成特性的研究.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002, 30(1): 100-102.

［5］ Hashemi S A, Fattahi A, Sheikhzadeh G A, et al. The effect of oxidant fl ow rate on a coaxial oxy-fuel fl ame [J]. Heat Mass Transfer, 2012,48:1615-1626.

［6］ Hu Y Q, Kobayashi N, Hasatani M. Effects of coal properties on recycled-NOxreduction in coal combustion with O2/recycled flue gas[J].Energy Conversion and Management, 2003, 44(14): 2331-2340.

［7］ Stadler H, Christ D, Habermehl M, et al. Experimental investigation of NOxemissions in oxy-coal combustion [J]. Fuel, 2011, 90(4):1604-1611.

［8］ 安麗娜, 劉彥豐. O2/CO2燃燒氣氛下鍋爐爐膛的熱力計(jì)算分析[J].電力科學(xué)與工程, 2010,26(4):49-52.

［9］ 薛憲闊. 煤粉在 O2/CO2氣氛下燃燒煙氣換熱特性研究[D]. 北京:華北電力大學(xué),2009.

［10］閆凱，張建文.富氧燃燒條件下鍋爐燃料燃燒計(jì)算研究[R].上海：上海鍋爐廠有限公司，2002.