富氧燃烧的非灰介质辐射特性模型及传热规律研究

摘要

富氧燃烧作为一种极具前景的大规模碳捕集技术近年来被广泛研究。在大型煤粉电站锅炉内，辐射传热占炉内传热的90%以上，辐射传热计算是锅炉设计的关键。但在富氧燃烧下，可变的初始氧气浓度、高浓度的CO2和H2O，使得炉内传热发生很大的变化。本文采用实验和数值模拟方法，对富氧燃烧下的辐射传热进行了系统地研究。 首先，采用Mie理论计算飞灰颗粒的光谱吸收和散射效率，引入全光谱k分布以及灰气体加权和模型的概念，发展了一种灰颗粒加权的非灰颗粒辐射特性模型（WSGP-SK）。通过逐线法（LBL）在一维平行平板上对模型精度进行了验证，WSGP-SK模型误差＜8%，而Planck平均方法误差＜13%。对不同的灰气体加权和模型（WSGG）进行对比，同样表明基于k分布方法改进的WSGG模型（WSGG-SK）精度最好。进一步将WSGG-SK模型与WSGP-SK模型结合，对气体和颗粒混合物的辐射特性模型精度进行了验证。 其次，采用Mie理论对燃烧过程中焦炭颗粒的辐射特性进行计算，分析了颗粒直径和燃尽度的影响。将光谱吸收和散射效率进行全光谱k分布，发展了一种非灰焦炭辐射特性模型（WSGP-SK_Burnout），并考虑了燃尽度对颗粒辐射特性的影响。作为对比，拟合得到了基于Planck平均的灰体模型。通过LBL模型在一维平行平板上对模型精度进行了验证，非灰颗粒辐射特性模型误差＜15%，Planck平均灰体模型误差＜35%，线性假设灰体模型误差＜53%，非灰颗粒辐射特性模型能够显著提高计算精度。 然后，建立煤粉富氧燃烧的数值模拟方法，综合考虑了燃烧气氛的变化对子模型适用性的影响，以IFRF的2.5MWth旋流煤粉炉的测量数据对数值模拟方法进行了验证。对比了不同气体和颗粒辐射特性模型对预测精度的影响，表明忽略燃尽度的影响（取颗粒发射率为定值0.9）会过量预测辐射传热量，使火焰温度偏低。 继而，通过试验和数值模拟，对应城35MWth富氧燃烧煤粉锅炉的燃烧和传热特性进行了研究，在同一个旋流燃烧系统上，实现了富氧燃烧和空气燃烧的稳定兼容运行。采用炉内温度、组分以及传热的测量数据，进一步对数值模拟方法进行了验证。结果表明当入炉氧分压为28%时，富氧燃烧下燃烧器区域峰值温度下降，但辐射传热能力增强，干、湿循环下总传热量相比于空气燃烧分别增加了6%、9%。 最后，对200MWe四角切圆煤粉锅炉的空气燃烧以及富氧燃烧进行了数值模拟，研究了烟气循环模式以及初始氧分压的影响。通过合理的配风，在同一个切圆燃烧系统上实现了空气燃烧和富氧燃烧的兼容运行。富氧燃烧下，虽然炉内烟气温度较空气燃烧明显下降；但辐射传热量在特定的初始氧分压上可以实现与空气燃烧一致。锅炉热力计算方法由于忽略了缓慢的CO反应，会过量预测水冷壁的辐射传热（5～10%），过低预测前屏过热器传热量（4～15%）。进一步地，对富氧燃烧系统进行优化设计，虽然富氧燃烧下燃烧器各喷口风量、风速、风成分等都发生了显著变化，但在一次流动量、下二次流动量、一二次流动量比以及一二次流动量矩比等关键设计准则上，富氧燃烧与空气燃烧基本一致，这为避免富氧直流燃烧的炉内烟温偏差、高温腐蚀等提供了设计指导。

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