摘要：本文基于35 MWth富氧燃烧锅炉的运行工况，分析研究在富氧气氛下炉膛内换热相较于空气气氛的换热变化。通过分析发现，在不同循环倍率下，炉内绝热火焰温度、传热量与空气气氛换热有较明显变化，在循环倍率68%时，富氧燃烧工况炉内绝热火焰温度与空气燃烧工况相同；当循环倍率70%时，富氧燃烧工况炉内总热量与空气燃烧工况相当。

　　关键词：锅炉；富氧燃烧；循环倍率

　　0引言

　　随着社会发展，在此发展过程中产生能量所导致温室气体的排放量日渐增多，这引起了一系列的环境问题，气候变暖已经成为一项全球性的环境问题[1-2]。富氧燃烧被认为是这一气候变化问题的技术之一，富氧燃烧技术通过循环烟气与纯氧替代空气作为助燃剂燃烧以实现富集烟气中CO2的浓度，是一项大规模碳捕集利用与封存的技术。

　　本文以35 MWth富氧燃烧煤粉炉系统为研究对象，在35 MWth富氧燃烧系统中，其35 MWth系统中锅炉额定蒸发量为38.5 t/h，以青山煤为实验煤种。监测受热面、介质、烟气成分等数据信息，通过理论分析预测，再以实验数据的验证，进而分析出在不同烟气循环倍率下炉内换热情况，为中式规模的空气改造富氧燃烧机组运行稳定提供一定的参考。

　　1实验工况

　　1.1锅炉概况

　　本示范工程项目选址湖北应城，建设了包括一台38.5 t/h蒸发量的中温中压富氧燃烧锅炉及配套的空分系统、烟气净化系统等完备的工艺流程，本次实验测算了空气燃烧及富氧燃烧两种工况。

　　富氧燃烧烟气循环锅炉示意图如图1所示，锅炉采用中压参数、自然循环、单炉膛、前墙布置煤粉旋流燃烧器、微正压燃烧、尾部双烟道布置、管式空气预热器，相关设计参数见表1。

　　1.2实验工况

　　选取的煤种为青山煤，燃用煤种的工业分析和元素分析见表2。

　　锅炉实际运行数据见表3，本次实验采取控制变量法，其中烟气循环倍率及一次风中氧浓度作为控制变量，分析炉内燃烧特性及传热特性。

　　富氧循环下烟气循环倍率分别为75%、74%、73%、72%、71%、70%、69%、68%、67%九种空况实验。

       不同循环倍率下，助燃剂中的氧气浓度与再循环烟气对应关系见表4。

     2理论计算分析

　　2.1炉内燃烧、传热特性

　　使用再循环烟气和纯氧作为助燃剂燃烧所生成的烟气与空气气氛燃烧不同，在富氧燃烧气氛下，烟气的主要组分是三原子气体（CO2和H2O）[3]；相较空气气氛而言，CO2具有更高的比热容，同样多的温升，富氧气氛下的烟气需要更多的热量，而且CO2的增加会使着火延迟并降低反应速率[4]。这两种因素均会使峰值温度降低，因而相较空气气氛燃烧而言，在同等燃料条件下，富氧燃烧的炉膛峰值温度会降低。计算结果分析在氧浓度28.5%时，富氧工况与空气工况的绝热火焰温度相同。

　　2.2传热特性

　　锅炉炉膛内主要以辐射传热为主，而在水平烟道及尾部烟道则以对流传热为主。辐射传热正比于温度的4次方，所以炉膛内辐射传热量主要取决于炉内烟气温度，上述当氧体积分数为28.5%时，富氧工况与空气工况的炉内绝热火焰温度相等，在图3中，可以明显看到富氧工况的辐射放热量高于空气工况，因富氧工况下高浓度CO2等三原子气体及飞灰颗粒使其辐射能力增强。结果分析当氧体积分数为27%时，富氧工况与空气工况炉内辐射放热量相当。

　　研究炉内辐射放热量曲线，可以发现到氧体积分数25%到27%区间内，存在一个拐点现象，推测分析，可能在富氧炉膛内，存在烟气成分改变带来的辐射增强影响与烟气量减少、烟气流速降低带来的换热减弱影响之间的竞争关系，两者之间此消彼长因而存在局部拐点现象。通过数据研究分析，在氧体积分数为26%时，富氧工况与空气工况的总传热量相当。

　　综上所述，氧体积分数27%时富氧工况与空气工况炉内辐射放热量相当；而在26%时，富氧工况与空气工况总传热量相当。

　　3实验结果分析

　　3.1燃烧特性实验与理论分析

　　通过对不同工况实验数据进行记录，分析如图2所示。从计算绝热火焰温度与实验测算出来的绝热火焰温度曲线拟合程度，进一步论证理论分析正确；在富氧工况下，由于烟气中三原子气体增多，气体热容更大，高浓度CO2烟气使着火延迟降低反应速率，在相同氧浓度下与空气工况相比，富氧工况的炉膛绝热火焰温度更低；而在氧体积分数达到28.5%左右时，富氧工况的炉内绝热火焰温度则与空气相当。

　　3.2传热特性实验与理论分析

　　通过对不同工况实验数据进行记录，分析如图3所示。从计算炉内辐射传热量与实验测算炉内辐射传热量曲线拟合程度，论证了理论分析正确；基于空气同等氧浓度，富氧燃烧的火焰温度降低，其辐射传热减弱；与此同时，富氧燃烧因烟气成分的改变，三原子气体增加，其辐射能力增加；两种因素的叠加影响，形成竞争关系，因而会出现氧浓度拐点，即存在循环倍率拐点。通过实验计算可知，在氧体积分数26%时，其富氧工况传热量与空气工况相当，且实验测算数值与理论分析基本吻合，进一步论证氧体积分数26%时，即循环倍率70%时，为富氧与空气切换工况的最佳循环倍率点。

　　4结论

　　本文以35 MW富氧燃烧青山煤为研究对象，对煤粉空气燃烧和不同烟气循环倍率下的富氧循环进行数据研究，对炉膛内绝热火焰温度、炉内辐射传热量、总传热量进行了详细分析，得到如下结论：1）高循环倍率下，三原子气体增加，烟气热容增大，同时高浓度CO2降低了反应速率，使得炉内绝热火焰温度低于空气燃烧工况；当循环倍率为68%时，富氧工况炉内绝热火焰温度与空气燃烧工况相当；2）烟气循环倍率与氧浓度成负相关，且直接影响辐射传热量、总传热量。在烟气循环倍率为70%时，锅炉总传热量与空气燃烧工况相当。

　参考文献

　　[1]Kimura，T.Efficient[WO4]2--Catalyzed Chemical Fixation of Carbon　Dioxide with 2-Aminobenzonitriles to Quinazoline-2，4（1H，3H）-diones[J].Inorganic chemistry，2012，51（23）：13001-13008.

　　[2]J Xiong，H Zhao，C Zheng，et al.An economic feasibility study of O2/CO2 recycle combustion technology based on existing coal-fired power plants in china[J].Fuel，2009，88（6）：1135-1142.

　　[3]吴勇富.基于35MWth富氧燃烧锅炉热力计算几个关键系数的修正[M].武汉：华中科技大学，2016.

　　[4]WANG Lin，LIU Zhaohui，CHEN Sheng，et al.Physical and Chemical Effects of CO2 and H2O Additives on Counterflow Diffusion Flame Burning Methane[J].Energy Fuels，2013（27）：7602-7611.