富氧燃燒條件下鍋爐燃料燃燒影響因素研究

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 石油天然氣工程學院，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，燃料的燃點溫度降低，燃盡時間縮短，過量空氣系數降低，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，但對于富氧燃燒條件下的燃燒計算方法卻研究較少。由于富氧燃燒方式與常規燃燒方式的差別，對富氧燃燒條件下鍋爐熱力計算進行相關研究是非常有必要的。雖然國內一些學者對此做了不少前瞻性工作[8,9]，主要集中在富氧燃燒條件下爐膛含高濃度CO2和H2O等輻射氣體的輻射換熱特性，利用新的輻射特性計算方法來對富氧燃燒鍋爐整體進行熱力計算和分析。但并沒有形成一個系統的完整的計算過程，仍處于探索性認識階段。

因此，筆者以常規鍋爐熱力計算中燃料燃燒計算公式為框架，結合富氧鍋爐熱力系統的特點，提出適合富氧燃燒條件下鍋爐熱力計算的燃料燃燒計算方法，開發出富氧燃燒條件下鍋爐用燃料燃燒計算的軟件，為今后發展和完善富氧鍋爐熱力計算提供必要的理論基礎。

1 鍋爐富氧燃燒計算模型

閆凱[10]等人以常規鍋爐燃料燃燒計算方法為基礎，建立了富氧燃燒鍋爐的燃料燃燒計算方法，導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算模型，導出了煙氣再循環和不考慮煙氣再循環2種條件下的實際煙氣量、煙氣質量、煙氣密度、飛灰質量濃度和煙氣焓的計算公式。為簡化計算，筆者運用VB6.0對上述計算模型進行了程序編程，同時分析了鍋爐操作參數對鍋爐燃燒特性的影響。

2 鍋爐富氧燃燒計算VB程序的實現

2.1 程序計算流程

富氧燃燒條件下鍋爐燃料燃燒計算程序流程如圖1所示。

圖1 程序計算流程Fig.1 Calculation flow diagram of the program

2.2 程序主要應用界面

富氧燃燒條件下鍋爐燃料燃燒計算程序主要界面如圖2所示。

圖2 程序主要應用界面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 氧氣濃度對理論空氣量和煙氣量的影響

根據圖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下降趨勢；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，兩者減少程度變緩。

圖3 氧氣濃度對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 氧氣濃度對鍋爐熱效率的影響

3.2.1 不同排煙溫度下氧氣濃度對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：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 不同過量氧氣系數下氧氣濃度對鍋爐熱效率的影響

由圖5可知，在過量氧氣系數一定的情況下，隨著氧氣濃度增大，鍋爐熱效率增大。在同一氧氣濃度下，過量氧氣系數越小，鍋爐熱效率越高；氧氣濃度低于35%時，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 不同過量氧氣系數下氧氣濃度對鍋爐熱效率的影響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越于常規燃燒。

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

4 結 論

運用富氧燃料燃燒原理，對鍋爐操作參數中氧氣濃度對鍋爐效率、空氣量、煙氣量的影響，和富氧燃燒條件下排煙溫度、過量氧氣系數對鍋爐熱效率的影響進行燃料燃燒計算，并且開發VB計算軟件，對數據進行系統分析與研究，從而得出一系列結論：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小；降低過量氧氣系數，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，但不能夠通過一味提高氧氣濃度來達到提高鍋爐熱效率的目的，要綜合考慮增加富氧系統的成本與獲取收益之間的平衡關系。

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