富氧燃烧的炉膛的传热系数计算方法及装置与流程

本发明涉及富氧燃烧技术领域，具体地，涉及一种富氧燃烧的炉膛的传热系数计算方法及装置。

背景技术：

富氧燃烧技术与现有电站燃烧方式在技术上具有良好的承接性。富氧燃烧技术不仅便于回收烟气中的CO₂，还能大幅度地减少其中的NO_x、SO₂和颗粒物排放。富氧燃烧可以实现污染物的一体化协同脱除，是一种近“零”排放的清洁燃煤利用技术，但是富氧燃烧同时也存在着很多的问题：由于介质的密度、比热、扩散系数、辐射特性以及烟气量的差异，使得富氧燃烧气氛下炉内的流动特性、煤粉火焰特性、燃烧过程、传热过程等相比于常规燃烧发生了很大的变化。因此，常规的空气气氛下的锅炉的炉膛传热系数计算方法和步骤不再适于富氧燃烧工况下炉膛传热系数的计算，需要一种能够对富氧燃烧工况下炉膛的传热系数进行计算的方法和装置。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种富氧燃烧的炉膛的传热系数计算方法及装置，以解决上述现有技术中的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种富氧燃烧的炉膛的传热系数计算方法，其中，该方法包括：对空气燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数K_r’进行修正得到富氧燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数K_r；基于富氧燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数K_r计算炉膛火焰黑度α；基于所述炉膛火焰黑度α计算炉膛的吸热量Q；计算受热面的面积H；计算对数温差△t；以及基于炉膛的吸热量Q、受热面的面积H和对数温差△t计算炉膛的传热系数K。

优选地，利用下述公式对空气燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数K_r’进行修正得到富氧燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数K_r：

K_r＝K_r’-ΔK，其中，

其中为水蒸气的分压、为CO₂的分压、F为有效辐射层厚度。

优选地，通过下述公式计算炉膛火焰黑度α：

α＝1-e^-KPS，

KPS＝A×(Kr*γ+K_h*μ+K_C*C₁*C₂)×S，

其中，所述KPS为燃烧产物总吸引力，K_r为富氧燃烧气氛下三原子气体辐射减弱系数；γ为烟气中三原子气体容积份额；K_h为灰粒辐射减弱系数；μ为质量飞灰浓度；K_C为碳粒辐射减弱系数；C₁、C₂为无因次参数；A为系数；S为炉膛的辐射层有效厚度。

优选地，通过下述公式计算灰粒辐射减弱系数K_h：

其中d_h为灰粒子有效直径，G_g为烟气质量，V_g为烟气体积，T_O为炉膛出口处烟气温度。

优选地，基于炉膛的吸热量Q、受热面的面积H和对数温差△t通过下述公式计算炉膛的平均传热系数K：

本发明还提供了一种富氧燃烧的炉膛的传热系数计算装置，其中，该装置包括：修正模块，用于对空气燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数K_r’进行修正得到富氧燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数K_r；第一计算模块，用于基于富氧燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数K_r计算炉膛火焰黑度α；第二计算模块，用于基于所述炉膛火焰黑度α计算炉膛的吸热量Q；第三计算模块，用于计算受热面的面积H；第四计算模块，用于计算对数温差△t；以及第五计算模块，用于基于炉膛的吸热量Q、受热面的面积H和对数温差△t计算炉膛的传热系数K。

优选地，所述修正模块利用下述公式对空气燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数K_r’进行修正得到富氧燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数K_r：

K_r＝K_r’-ΔK，其中，

其中为水蒸气的分压、为CO₂的分压、F为有效辐射层厚度。

优选地，所述第一计算模块通过下述公式计算炉膛火焰黑度α：

α＝1-e^-KPS，

KPS＝A×(Kr*γ+K_h*μ+K_C*C₁*C₂)×S，

其中，所述KPS为燃烧产物总吸引力，K_r为富氧燃烧气氛下三原子气体辐射减弱系数；γ为烟气中三原子气体容积份额；K_h为灰粒辐射减弱系数；μ为质量飞灰浓度；K_C为碳粒辐射减弱系数；C₁、C₂为无因次参数；A为系数；S为炉膛的辐射层有效厚度。

优选地，通过下述公式计算灰粒辐射减弱系数K_h：

其中d_h为灰粒子有效直径，G_g为烟气质量，V_g为烟气体积，T_O为炉膛出口处烟气温度。

优选地，所述第五计算模块基于炉膛的吸热量Q、受热面的面积H和对数温差△t通过下述公式计算炉膛的平均传热系数K：

通过上述技术方案，可以对空气燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数进行修正以得到富氧燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数，从而可以基于该富氧燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数计算炉膛火焰黑度，进而准确计算得到富氧燃烧气氛下的传热系数。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明一种实施方式的富氧燃烧的炉膛的传热系数计算方法的流程图；

图2是根据本发明一种实施方式的富氧燃烧的炉膛的传热系数随总氧分压变化的示意图；以及

图3是根据本发明一种实施方式的富氧燃烧的炉膛的传热系数计算装置的方框图。

附图标记说明

1 修正模块 2 第一计算模块 3 第二计算模块

4 第三计算模块 5 第四计算模块 6 第五计算模块

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是根据本发明一种实施方式的富氧燃烧的炉膛的传热系数计算方法的流程图。

如图1所示，本发明一种实施方式提供的富氧燃烧的炉膛的传热系数计算方法包括：

S100，对空气燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数K_r’进行修正得到富氧燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数K_r；

S102，基于富氧燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数K_r计算炉膛火焰黑度α；

S104，基于所述炉膛火焰黑度α计算炉膛的吸热量Q；

S106，计算受热面的面积H；

S108，计算对数温差△t；以及

S110，基于炉膛的吸热量Q、受热面的面积H和对数温差△t计算炉膛的传热系数K。

通过上述技术方案，可以对空气燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数进行修正以得到富氧燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数，从而可以基于该富氧燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数计算炉膛火焰黑度，进而准确计算得到富氧燃烧气氛下的传热系数。

其中，关于步骤S106中受热面的面积H的计算以及步骤S108中对数温差△t的计算，可以采用现有技术中已有的方式进行计算，本发明不对此进行限定。

举例而言，可以基于受热面进口水温、受热面出口水温、受热面进口烟气温度和受热面出口烟气温度计算对数温差△t。

根据本发明一种实施方式，利用下述公式对空气燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数K_r’进行修正得到富氧燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数K_r：

K_r＝K_r’-ΔK，其中，

其中为水蒸气的分压(单位为MPa)、为CO₂的分压(单位为MPa)、F为有效辐射层厚度(单位为cm)。

在富氧燃烧(O₂/CO₂循环方式下)烟气中CO₂体积比发生了很大的变化，因此在计算三原子气体辐射减弱系数时必须考虑CO₂和H₂O光带部分重叠所带来的影响。通过上述公式可以实现对空气燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数的修正，可以将CO₂体积比发生变化所带来的影响考虑在内，从而能够准确计算富氧燃烧气氛下的传热系数。

根据本发明一种实施方式，可以通过下述公式计算炉膛火焰黑度α：

α＝1-e^-KPS，

KPS＝A×(Kr*γ+K_h*μ+K_C*C₁*C₂)×S，

其中，所述KPS为燃烧产物总吸引力，K_r为富氧燃烧气氛下三原子气体辐射减弱系数；γ为烟气中三原子气体容积份额；K_h为灰粒辐射减弱系数；μ为质量飞灰浓度；K_C为碳粒辐射减弱系数；C₁、C₂为无因次参数；A为系数；S为炉膛的辐射层有效厚度，其中A可以为常数。

根据本发明一种实施方式，可以通过下述公式计算灰粒辐射减弱系数K_h：

其中d_h为灰粒子有效直径，G_g为烟气质量，V_g为烟气体积，T_O为炉膛出口处烟气温度。

空气燃烧气氛下烟气的密度一般处在一个相对不变的水平，所以涉及烟气密度的公式中通常将密度当作常量。然而在O₂/CO₂循环方式下烟气组分体积比的巨大变化导致烟气的密度发生了相当大的变化，因此烟气的密度不能作为常量来计算。通过上述公式计算灰粒辐射减弱系数K_h，可以将烟气组分体积比的变化导致的烟气的密度的变化考虑在内。

根据本发明一种实施方式，可以基于炉膛的吸热量Q、受热面的面积H和对数温差△t通过下述公式计算炉膛的平均传热系数K：

其中，炉膛的吸热量Q的单位为W；受热面的面积H的单位为m²；对数温差△t的单位为℃。

图2是根据本发明一种实施方式的富氧燃烧的炉膛的传热系数随总氧分压变化的示意图。

如图2所示，利用本发明上述实施方式中所述的计算方法计算得到炉膛传热系数随着总氧分压的增加逐渐增大。

具体地，处于干循环时，总氧分压为21％时炉膛的传热系数约为112W/m²·K；总氧分压为26％时炉膛的传热系数约为115W/m²·K；总氧分压为35％时炉膛的传热系数约为121W/m²·K。处于湿循环时，总氧分压为21％时炉膛的传热系数约为108W/m²·K；总氧分压为26％时炉膛的传热系数约为115W/m²·K；总氧分压35％时炉膛的传热系数约为126W/m²·K。

本发明上述实施方式描述的内容主要针对的是与现有技术中空气气氛下炉膛热力计算方法不同的地方，关于热平衡计算步骤、受热面计算步骤以及炉膛热力计算中除炉膛火焰黑度以外的计算步骤均可以采用与现有技术中空气气氛下炉膛热力计算方法一致的方法步骤。为了不混淆本发明，下面仅对这些与现有技术一致的步骤简单举例说明，不对其进行详细描述。

举例而言，现有技术中空气气氛下热平衡计算可以包括：

计算锅炉输入热量QPP、计算热循环烟气焓值HRK、确定锅炉排烟温度下的排烟焓、计算排烟损失(扣除了回收)、确定锅炉散热损失和灰渣物理热损失、用反平衡法计算锅炉热效率、计算锅炉工质有效利用热量、确定锅炉燃料消耗热量及计算燃料消耗量。

举例而言，现有技术中空气气氛下炉膛热力计算中除炉膛火焰黑度以外的计算步骤可以包括：

根据假定的热风温度计算随热风带入的热量和计算随每千克燃料进入炉膛的有效热量，并求得绝热燃烧温度、根据燃料种类和燃烧设备的形式以及布置方式计算火焰中心位置系数M、根据炉膛受热面结构特性确定炉膛受热面平均热有效系数、估计炉膛出口烟气温度并计算炉膛烟气平均热容量、计算炉膛出口烟温并核对炉膛出口烟温误差、计算炉膛热力参数(如炉膛容积热负荷、断面热负荷、壁面热负荷)、炉膛内辐射受热面的换热计算(如屏式过热器、炉顶管等)。

举例而言，现有技术中空气气氛下受热面计算可以包括：

获得受热面进口烟温及烟焓并查取相应焓值、假定受热面烟道的烟气份额(比例)及烟气对受热面的放热量并以此为依据计算出口烟温和烟焓、确定受热面介质流量(其中，对于过热器可以根据喷水位置及喷水量确定)、根据传热平衡确定受热面的介质出口温度和焓值、计算受热面传热系数、计算受热面传热温压、计算受热面传热量、校核传热量误差。

图3是根据本发明一种实施方式的富氧燃烧的炉膛的传热系数计算装置的方框图。

如图3所示，本发明一种实施方式提供的富氧燃烧的炉膛的传热系数计算装置包括：修正模块1，用于对空气燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数K_r’进行修正得到富氧燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数K_r；第一计算模块2，用于基于富氧燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数K_r计算炉膛火焰黑度α；第二计算模块3，用于基于所述炉膛火焰黑度α计算炉膛的吸热量Q；第三计算模块4，用于计算受热面的面积H；第四计算模块5，用于计算对数温差△t；以及第五计算模块6，用于基于炉膛的吸热量Q、受热面的面积H和对数温差△t计算炉膛的传热系数K。

通过上述技术方案，可以对空气燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数进行修正以得到富氧燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数，从而可以基于该富氧燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数计算炉膛火焰黑度，进而准确计算得到富氧燃烧气氛下的传热系数。

根据本发明一种实施方式，所述修正模块1利用下述公式对空气燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数K_r’进行修正得到富氧燃烧气氛下的三原子气体辐射减弱系数K_r：

K_r＝K_r’-ΔK，其中，

其中为水蒸气的分压(单位为MPa)、为CO₂的分压(单位为MPa)、F为有效辐射层厚度(单位为cm)。

根据本发明一种实施方式，所述第一计算模块2通过下述公式计算炉膛火焰黑度α：

α＝1-e^-KPS，

KPS＝A×(Kr*γ+K_h*μ+K_C*C₁*C₂)×S，

其中，所述KPS为燃烧产物总吸引力，K_r为富氧燃烧气氛下三原子气体辐射减弱系数；γ为烟气中三原子气体容积份额；K_h为灰粒辐射减弱系数；μ为质量飞灰浓度；K_C为碳粒辐射减弱系数；C₁、C₂为无因次参数；A为系数；S为炉膛的辐射层有效厚度，其中A可以为常数。

根据本发明一种实施方式，可以通过下述公式计算灰粒辐射减弱系数K_h：

其中d_h为灰粒子有效直径，G_g为烟气质量，V_g为烟气体积，T_O为炉膛出口处烟气温度。

根据本发明一种实施方式，所述第五计算模块6基于炉膛的吸热量Q、受热面的面积H和对数温差△t通过下述公式计算炉膛的平均传热系数K：

本发明上述的装置与上述的方法相对应，对于装置的具体描述可以参照前述关于方法的描述，本发明不再赘述。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。