富氧燃烧锅炉传热特征分析及设计优化杨建远

富氧燃烧锅炉传热特征分析及设计优化杨建远

杨建远

（山东华源锅炉有限公司山东省临沂市276038）

摘要：富氧燃烧技术是用纯氧或富氧气体混合物代替助燃空气，实现化石燃料充分燃烧利用的技术，基于200MW富氧燃烧锅炉为研究对象，通过理论计算得出：高烟温区段，富氧燃烧烟气中三原子气体浓度升高，导致辐射传热增强，受热面传热量要高于空气燃烧气氛。而在低烟温区段，烟气量减少导致流速降低，对流传热减弱，传热量小于空气燃烧气氛；在分析富氧燃烧锅炉传热特性基础上，提出了富氧燃烧锅炉烟气通流截面积、各换热面积的设计优化方法。

关键词：锅炉；富氧燃烧；传热特性；设计

对于富氧燃烧烟气再循环新型燃烧技术的工业应用，由于燃烧特性、火焰特性、烟气成分以及辐射、对流传热都将发生比较大的改变，需要在传统空气气氛燃烧锅炉结构基础上进行相应调整。富氧燃烧技术起步时间不长，原有的锅炉设计原则已经不足以支持富氧气氛燃烧下锅炉的优化设计。通过对富氧燃烧锅炉设计过程中采取的优化手段进行分析，从而确定不同参数下富氧燃烧锅炉的设计方法以及部分参数的选取原则，为后续设计更大容量的富氧燃烧锅炉提供理论支持。

一、富氧燃烧再循环方式

循环烟气从尾部烟道抽取之后分为两部分：一次风与二次风。其中，一次风为送粉风，由一次烟气循环风机输送至烟气预热器一次风侧预热后再输送煤粉至燃烧器，一次风中的H2O必须经过冷凝脱除，而二次风则根据脱水与否，可以将富氧燃烧分为干循环、湿循环。干循环方式最有利于空气气氛锅炉改造为富氧燃烧锅炉，并且各项燃烧参数与空气气氛最为接近。但是这种燃烧方式锅炉的效率最低，需要脱水的烟气量最大，冷凝脱水装置及脱硫装置等负荷大。富氧燃烧湿循环中的一次风仍然来源于冷凝脱水后的烟气，二次风抽取位置为除尘器后脱硫塔前，经过烟气预热器加热到相应的温度后送入炉膛助燃，如图所示。

富氧燃烧湿循环的锅炉效率高于干循环，烟气冷凝器、脱硫等装置工作负荷低于干循环。计算数据以200MW富氧燃烧锅炉为例，锅炉采用Π型布置，单炉膛，自然循环汽包炉。微正压，四角切圆燃烧，在炉膛上部垂直布置辐射式全大屏和后屏过热器，水平烟道布置高温过热器和高温再热器。由高温再热器出来的烟气经过烟气挡板调节，分别进入低温过热器侧和低温再热器侧。省煤器出口烟气经混合后，根据给定的一次风率再分别进入烟气预热器。

二、富氧燃烧传热分析

1、富氧燃烧烟气流速分析。在富氧燃烧条件下，燃烧产生的烟气量将会减少，锅炉燃用煤质、运行工况的循环倍率均会对锅炉烟气量产生影响，但在相同循环倍率下，烟气量减少量基本一致。该锅炉额定参数计算工况干、湿循环26%氧分压下，富氧燃烧锅炉产生的烟气量大致为空气燃烧产生烟气量的81%。总烟气量的减少引起烟气流速的降低，不仅导致富氧工况传热系数发生较大改变，而且会对锅炉受热面积灰、磨损等产生影响，锅炉设计规范中对受热面中烟气流速做出了相应的规定，富氧条件下烟气流速变慢，则锅炉传热系数随之降低，受热面吸热量减少，而且使得烟气中的飞灰逐渐沉积，增加受热面灰污系数，不利于锅炉安全经济运行，因此富氧燃烧锅炉设计必须提高烟气流速。

2、富氧气氛燃烧传热系数分析。富氧气氛燃烧下受热面的传热系数主要受两方面因素影响：烟气中三原子气体（CO2和H2O）浓度大大升高，导致辐射传热增强；而烟气量减少导致流速降低，对流传热减弱，富氧燃烧锅炉的传热系数明显发生了改变，总体来说与空气气氛燃烧相比，富氧气氛下烟气的传热系数将会增加，锅炉效率提高。在烟温较高的受热面，例如高温过热器区域由于辐射传热强，总传热系数受辐射传热的影响要大于对流传热的影响，富氧气氛燃烧的总传热系数相比较空气气氛燃烧有所升高。随着烟气温度逐渐降低，辐射传热影响逐渐减小。例如尾部烟道的空气预热器区域，对流传热对总传热系数的影响较大，而富氧气氛燃烧烟气量减少，对流传热削弱，富氧气氛燃烧的总传热系数相比较空气气氛燃烧会略有降低。

3、富氧燃烧锅炉受热面传热量计算。受热面换热系数、面积、传热温差控制锅炉受热面的吸热量。对相同尺寸的锅炉，受热面面积不变，则受热面传热量的多少就取决于传热系数与传热温差。总体上富氧气氛燃烧传热系数要高于空气气氛燃烧，但是富氧条件下各受热面烟气温度变低，传热温差变小，由此可知，富氧气氛燃烧各受热面的传热量由传热系数增加的程度决定，在高烟温区段，传热系数增加程度大于传热温差减小程度，传热量高于空气气氛燃烧，例如屏式过热器、高温过热器、高温再热器等受热面，既吸收炉膛及高温烟气热辐射，又受烟气冲刷，吸热量增加；在低烟温区段，传热系数增加幅度减小甚至有所降低，导致尾部烟道低温过热器、低温再热器传热量小于空气气氛燃烧锅炉。

三、富氧燃烧锅炉的结构优化

1、富氧燃烧通流截面结构优化。通过参数的分析可知锅炉在富氧气

燃烧的各项运行参数较之空气气氛将发生较大变化。因此需要综合考虑各方面影响，优化设计富氧燃烧锅炉结构。由于富氧气氛燃烧下烟气流速的减小将会导致传热效率下降且受热面积灰严重，需要将各受热面的烟气流速调整到锅炉设计规范的推荐值。在影响烟气流速的多方面因素中，计算燃料消耗量、烟气容积、烟气温度在富氧气氛燃烧条件下都是降低的，因此只能通过调整烟气流通截面积提高烟气流速。但是富氧气氛燃烧下，烟气量减少将会导致烟气中飞灰浓度升高，烟气流速过高则受热面磨损严重，长期运行将会增大爆管风险。综合考虑，富氧气氛烟气流速略低于空气气氛流速。可以看出：为使富氧燃烧锅炉烟气流速达到设计规范要求，需要在传统空气气氛燃烧锅炉的基础上适当减小烟气通流截面积。烟气流通截面积与烟气量具有直接的关系，大部分烟气通流截面积减小的程度趋近于烟气量减少的份额。在26%氧浓度的气氛下，干循环锅炉各受热面烟气通流截面积减少15%～21%，湿循环减少13%～24%。受热面烟气流速是富氧燃烧锅炉设计方案中最重要的指标，锅炉结构尺寸与烟气流速密切相关。与改动前相比，优化后结构的富氧气氛燃烧受热面的烟气流速有很大提高，优化结果接近且略低于空气气氛。在富氧燃烧过程中，烟气流速的提高有利于减小锅炉尺寸，且强化换热使得锅炉效率提高。

2、富氧燃烧锅炉各受热面优化。烟气流速的提高强化了受热面换热，传热量增加，与空气气氛锅炉相比，富氧燃烧锅炉的受热面势必会相应减少。为了确保富氧气氛燃烧各受热面传热情况与空气气氛接近，必须对受热面面积进行调整。在炉膛结构保持不变的情况下，根据各受热面传热量分析，加上已经提高了烟气流速，富氧气氛燃烧下烟气在整个流程中换热量都要高于空气气氛，富氧燃烧锅炉结构优化后，干、湿循环方式下均能够保证各受热面传热量与空气气氛下锅炉受热面传热量保持一致，干循环误差低于8%，湿循环误差低于7%。

结论

通过对200MW超高压锅炉为研究，对比分析空气和富氧燃烧干、湿循环26%氧分压条件下各受热面烟气流速、传热系数以及吸热量等传热特性，为了使富氧气氛燃烧条件下锅炉烟气流速达到锅炉设计规范，烟气通流截面积需要适当减小。通过传热计算得到，烟气通流截面积减小程度趋近于烟气量减少的程度，干循环锅炉各受热面烟气通流截面积减少15%～21%，湿循环减少13%～24%。

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