謝?妍,王赫陽,趙?軍,劉?欣,張超群
【碳中和專欄】
爐內(nèi)煙氣成分對富氧燃燒鍋爐傳熱特性的影響
謝?妍1, 2,王赫陽1, 2,趙?軍1, 2,劉?欣3,張超群3
(1. 天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,天津 300072;2. 中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué)),天津 300350;3. 煙臺龍?jiān)措娏夹g(shù)股份有限公司,煙臺 264006)
富氧燃燒;煙氣成分;煙氣再循環(huán);輻射傳熱
中國以燃煤發(fā)電為主,隨全球暖化的加劇,減少燃煤電廠的CO2排放已經(jīng)成為我國規(guī)?;瘻p排的核心.富氧燃燒是目前最具應(yīng)用前景的大規(guī)模碳捕集技術(shù)發(fā)展方向之一[1-2].富氧燃燒中,空氣首先經(jīng)過空氣分離裝置(air separation unit,ASU)將N2分離,產(chǎn)生高濃度的O2供煤粉燃燒.相比常規(guī)空氣燃燒方式,富氧燃燒煙氣的主體成分為CO2和H2O,顯著降低了CO2的分離難度與成本[3].
富氧燃燒通常采用煙氣再循環(huán)(flue gas recirculation,F(xiàn)GR)控制燃燒溫度,根據(jù)再循環(huán)煙氣是否去除水蒸氣,煙氣再循環(huán)又分為干煙氣再循環(huán)和濕煙氣再循環(huán),不同的煙氣再循環(huán)方式及循環(huán)煙氣量會導(dǎo)致爐內(nèi)煙氣流量、成分及物性的變化,進(jìn)而影響爐內(nèi)的流動、燃燒及傳熱過程.Andersson等[4]、Woycenko等[5]在小尺度富氧燃燒實(shí)驗(yàn)臺的研究表明,爐內(nèi)溫度及總傳熱量隨再循環(huán)煙氣量的增加而降低;王鵬??等[6]、郭軍軍等[7]、Fujimori等[8]和Anheden等[9]的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究表明,再循環(huán)煙氣量可顯著影響中、小尺度富氧燃燒系統(tǒng)的傳熱特性,可通過調(diào)整再循環(huán)煙氣量使之與空氣燃燒系統(tǒng)的溫度及傳熱分布達(dá)到匹配.為實(shí)現(xiàn)富氧燃燒的工業(yè)應(yīng)用,部分學(xué)者已開始工業(yè)尺度富氧燃燒技術(shù)的研究.然而,由于全尺度富氧燃燒鍋爐內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜,實(shí)驗(yàn)成本高昂,目前還只能以數(shù)值模擬為主要手段對爐內(nèi)的燃燒與傳熱特性進(jìn)行研究.例如,Edge等[10]對500MW富氧燃燒鍋爐的研究表明,在煙氣循環(huán)倍率為70%時富氧燃燒系統(tǒng)可獲得與空氣燃燒系統(tǒng)近似的傳熱量;Hu等[11]則著重研究了不同再循環(huán)煙氣量導(dǎo)致的入口氧濃度變化對300MW富氧燃燒鍋爐流動及傳熱的影響.上述研究均表明富氧燃燒的燃燒溫度及傳熱量受再循環(huán)煙氣量的影響,可在特定再循環(huán)煙氣量下與空氣燃燒達(dá)到匹配.然而,這些研究皆忽視了不同燃燒方式下煙氣成分變化對爐內(nèi)流動、燃燒及傳熱的重要影響.富氧燃燒煙氣的主體成分為CO2與H2O,而空氣燃燒煙氣的主體成分為N2,不同燃燒方式之間煙氣成分的差異將導(dǎo)致爐內(nèi)煙氣物性的顯著差異,如密度、比熱和吸收系數(shù)等,并因此將可能顯著影響爐內(nèi)的流動、溫度及傳熱分布[12].
為此,本文將以320MW四角切圓鍋爐為研究對象,采用三維CFD(computational fluid dynamics)數(shù)值模擬方法研究富氧燃燒不同煙氣再循環(huán)方式(干、濕煙氣循環(huán))及循環(huán)倍率下爐內(nèi)的流動、燃燒及傳熱過程,并重點(diǎn)探討煙氣成分及物性變化對富氧燃燒鍋爐溫度與壁面?zhèn)鳠岱植嫉挠绊懀芯勘砻?,不同燃燒方式間煙氣成分及物性間的差異將顯著影響爐內(nèi)的溫度及傳熱分布,在全尺度富氧燃燒鍋爐的設(shè)計或現(xiàn)有空氣燃燒鍋爐的富氧燃燒改造中,需綜合考慮煙氣流量及成分和物性的變化對爐內(nèi)流動、燃燒與傳熱過程的影響.
本文以ANSYS Fluent為計算平臺,采用Realizable模型模擬湍流流動[13],近壁模型采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù).離散方程組的壓力和速度耦合求解采用SIMPLE算法,離散方法均采用二階迎風(fēng)格式.采用隨機(jī)軌道模型跟蹤煤粉顆粒的運(yùn)動[14].采用單步反應(yīng)速率模型描述煤的脫揮發(fā)分過程[15],并將揮發(fā)分表示為單一虛擬組分CHOSN[11,16-17].假設(shè)炭粒中的固定碳為純碳,、、、、的值可根據(jù)煤的工業(yè)與元素分析數(shù)據(jù)計算得出.煤高溫?zé)峤鈸]發(fā)分的析出總量、析出速率參數(shù)(指前因子和活化能)分別為47.2%(可燃基)、92031/s和27.67kJ/mol,由FLASHCHAIN模型模擬一維爐中煤粒的熱解過程獲得[18].煤粉熱解后形成的炭粒與周圍氣相組分的異相表面反應(yīng)包括:
Cchar+0.5O2→CO(1)
Cchar+CO2→2CO(2)
Cchar+H2O→H2+CO(3)
其中,Cchar為炭粒中的碳.炭粒的表面反應(yīng)速率由動力學(xué)/擴(kuò)散限制速率模型計算[19],模型參數(shù)如表1所示.
炭粒表面反應(yīng)所生成的CO和H2進(jìn)一步通過均相氧化反應(yīng)分別生成CO2和H2O,揮發(fā)分CHOSN的燃燒反應(yīng)采用二步總包反應(yīng),均相化學(xué)反應(yīng)包括:
表1?炭粒表面反應(yīng)速率參數(shù)
Tab.1?Parameters of char surface reaction rate
CO+0.5O2→CO2(5)
H2+0.5O2→H2O(6)
均相化學(xué)反應(yīng)的湍流反應(yīng)速率采用渦耗散模型(eddy-dissipation model)計算[20-21].
本文的研究重點(diǎn)是煙氣成分對富氧燃燒鍋爐傳熱特性的影響,而輻射換熱是爐內(nèi)的主要傳熱機(jī)理,本文數(shù)值研究采用的輻射模型和壁面?zhèn)鳠徇吔鐥l件將在以下詳細(xì)給出.
本文采用離散坐標(biāo)法(discrete ordinates method)求解輻射傳遞方程(RTE):
爐內(nèi)的輻射介質(zhì)包括氣體和顆粒,顆粒相對輻射傳熱的影響通過顆粒吸收系數(shù)p和散射系數(shù)p來體現(xiàn),本文皆取為0.9[22].氣相介質(zhì)對輻射傳熱的影響由氣體吸收系數(shù)體現(xiàn),由式(8)計算:
式中:為計算域內(nèi)的射線程長;為氣體輻射發(fā)射率,采用灰色氣體加權(quán)和(WSGG)模型計算.WSGG模型用幾種假想灰色氣體發(fā)射率的加權(quán)和來表示實(shí)際非灰色氣體的發(fā)射率:
比如“氧化還原反應(yīng)”的學(xué)習(xí),其中涉及到學(xué)生已經(jīng)了解的氧化反應(yīng)、還原反應(yīng),由于氧化還原反應(yīng)中電子得失概念的抽象性,學(xué)生很難把握氧化還原反應(yīng)的本質(zhì)和特點(diǎn).學(xué)生稍有不慎就很容易將其中的知識點(diǎn)混淆,達(dá)不到預(yù)期教學(xué)目標(biāo).教師可以將這些知識制作成單獨(dú)的微課,幫助學(xué)生認(rèn)識氧化還原反應(yīng)的特征、應(yīng)用其對化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行分類以及氧化還原反應(yīng)與四大基本反應(yīng)類型的關(guān)系等內(nèi)容,并通過思維導(dǎo)圖讓學(xué)生系統(tǒng)的分辨這些知識點(diǎn)之間的關(guān)系和差別,促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力,幫助學(xué)生掌握教學(xué)重難點(diǎn).
對于燃煤鍋爐,輻射是爐膛傳熱的主要形式.爐膛水冷壁收到爐內(nèi)高溫火焰發(fā)出的入射輻射熱量,其中一部分被水冷壁吸收,另一部分被反射回爐內(nèi),水冷壁由于自身溫度也向周圍發(fā)出輻射,壁面的凈輻射吸熱為入射輻射與出射輻射之差:
式中:ext為水冷壁管內(nèi)工質(zhì)溫度;ext為壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù),表征熱量從鍋爐煙氣側(cè)外壁面?zhèn)鬟f到管內(nèi)工質(zhì)過程的總熱阻的倒數(shù)[25],對于燃煤鍋爐,一般由壁面渣層的熱阻所決定,根據(jù)爐膛結(jié)渣狀態(tài)取值一般在300~600W/(m2·K)之間[25].式(14)和(15)給出了鍋爐水冷壁煙氣側(cè)和汽水側(cè)的熱平衡關(guān)系,聯(lián)立兩式可得到水冷壁的熱邊界條件.本文中,工質(zhì)溫度ext取為水冷壁管內(nèi)的飽和蒸汽溫度639K,ext為400W/(m2·K),壁面黑度w為0.6[25].
本文研究對象為一320MW亞臨界四角切圓鍋爐,其燃燒器及受熱面布置如圖1.鍋爐爐膛高×?寬×深為56.2m×14.0m×14.0m,每角包括五層煤粉燃燒器,各煤粉燃燒器之間由二次風(fēng)燃燒器分隔,分離燃盡風(fēng)布置在頂層煤粉燃燒器上方4.4m處.
圖1?鍋爐燃燒器及受熱面布置示意
根據(jù)實(shí)際爐膛尺寸,對320MW四角切圓鍋爐進(jìn)行建模及網(wǎng)格劃分,為更好地體現(xiàn)燃燒器設(shè)計對流場的影響,對近燃燒器區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化處理,如圖1.網(wǎng)格獨(dú)立性表明網(wǎng)格數(shù)為406萬與500萬時計算得到的速度、溫度及傳熱等結(jié)果差別很小,因此數(shù)值模擬采用網(wǎng)格總數(shù)為406萬.鍋爐燃用煙煤,煤的工業(yè)與元素分析如表2所示.
本文分別對空氣(AIR)、富氧燃燒干煙氣循環(huán)(DRY)和濕煙氣循環(huán)(WET)3種燃燒方式進(jìn)行了分析研究,其中富氧燃燒干、濕煙氣循環(huán)包括循環(huán)倍率(RR)為65%、70%、75%和80%的4個工況(分別表示為RR65、RR70、RR75、RR80)以研究不同煙氣流量下煙氣成分及物性變化對爐內(nèi)流動與傳熱分布的影響.循環(huán)倍率定義為再循環(huán)煙氣體積流量占鍋爐入口氣體總流量的比例.所有工況煤量均為123.5t/h,一次風(fēng)、周界風(fēng)、二次風(fēng)、燃盡風(fēng)分別占總風(fēng)量的23.6%、15%、46.4%、15%,一次風(fēng)和二次風(fēng)溫度分別為77℃和337.8℃.煤粉的粒徑假設(shè)為Rosin-Rammler分布,平均粒徑為59μm,均勻性指數(shù)為1.0.為方便對比,空氣燃燒工況和富氧燃燒干、濕煙氣循環(huán)工況的過量空氣系數(shù)分別為1.15、1.027和1.035,使3種燃燒方式在循環(huán)倍率為80%條件下具有相同的入口氣體體積流量和氧量.富氧燃燒工況的過量空氣系數(shù)顯著低于空氣燃燒,這是因?yàn)樵傺h(huán)煙氣中包含過量氧,使在相同入口O2量情況下,富氧燃燒可采用更低的過量空氣系數(shù).表3列出了空氣燃燒和富氧燃燒干、濕煙氣再循環(huán)方式在不同循環(huán)倍率下的入口氣體總質(zhì)量流量、摩爾流量及入口氣體成分(體積分?jǐn)?shù)).本文假設(shè)由ASU獲得的O2的體積分?jǐn)?shù)為95%(其余為N2).
表2?煤的工業(yè)與元素分析數(shù)據(jù)(收到基)
Tab.2 Proximate and ultimate analyses data of coal(as-received base)
表3?鍋爐入口氣體成分、質(zhì)量流量及摩爾流量
Tab.3 Boiler inlet gas composition,mass flow and mole flow rates
合理模擬爐內(nèi)的流場分布是精確預(yù)測爐內(nèi)溫度與傳熱分布的基礎(chǔ).爐內(nèi)的流場分布主要取決于燃燒器的設(shè)計型式及燃燒器間的風(fēng)量分配.本文各燃燒器間的風(fēng)量分配通過空氣燃燒工況的鍋爐運(yùn)行參數(shù)確定.由于燃燒器與鍋爐爐膛尺度間的巨大差異,如果在模擬爐膛流動時將燃燒器的設(shè)計細(xì)節(jié)考慮在內(nèi)將導(dǎo)致巨大的網(wǎng)格數(shù)量和計算量.因此,本文首先對煤粉、燃盡風(fēng)和各二次風(fēng)燃燒器分別建立燃燒器流動模型,得到各燃燒器內(nèi)詳細(xì)的流場分布,并將燃燒器流動模型出口的速度和溫度分布作為鍋爐模型相應(yīng)燃燒器入口的邊界條件.此方法可合理地將燃燒器設(shè)計的影響體現(xiàn)在爐內(nèi)流場的模擬計算中,并避免同時模擬鍋爐與燃燒器流動所導(dǎo)致的巨大計算量.
圖2為空氣燃燒和富氧燃燒濕煙氣循環(huán)工況在不同煙氣循環(huán)倍率下的鍋爐入口速度及對角截面速度分布的模擬結(jié)果.從圖中可看出,隨煙氣循環(huán)倍率的增加,鍋爐燃燒器入口的氣體流量增加,入口流速及爐內(nèi)煙氣流速隨之升高.當(dāng)煙氣循環(huán)倍率達(dá)到75%時(RR75工況),富氧燃燒工況鍋爐入口的氣體質(zhì)量流量已接近空氣燃燒工況(見表3),但其入口及爐內(nèi)流速明顯低于空氣燃燒.這是由富氧燃燒與空氣燃燒工況間煙氣成分及密度的差異導(dǎo)致的.富氧燃燒鍋爐入口氣流包含高濃度的CO2,而空氣燃燒工況入口氣流的主體成分為N2,CO2的密度顯著高于N2,使相同質(zhì)量流量條件下,富氧燃燒鍋爐的入口氣流體積流量明顯低于空氣燃燒工況.當(dāng)煙氣循環(huán)倍率達(dá)到80%時,富氧燃燒工況的入口氣體質(zhì)量流量已顯著高于空氣燃燒,但體積流量與空氣燃燒時相同,因此具有與空氣燃燒較為接近的燃燒器入口及爐內(nèi)流場分布分析.
圖2 空氣燃燒及富氧燃燒濕煙氣循環(huán)方式下鍋爐入口及對角截面速度分布
圖3為空氣燃燒和富氧燃燒濕煙氣循環(huán)工況在不同煙氣循環(huán)倍率下爐膛對角截面的溫度分布.圖4給出了各燃燒方式在不同煙氣循環(huán)倍率下爐內(nèi)橫截面煙氣平均溫度沿爐膛高度的分布.從圖3、圖4可看出,隨煙氣循環(huán)倍率增加,富氧燃燒爐內(nèi)煙溫下降.這是由于隨煙氣循環(huán)倍率的增加,爐內(nèi)需被燃燒放熱加熱的氣體質(zhì)量流量增加.在較低循環(huán)倍率情況下(65%,70%),富氧燃燒爐內(nèi)的煙氣質(zhì)量流量明顯低于空氣燃燒,因此爐膛溫度顯著高于空氣燃燒.當(dāng)循環(huán)倍率增加至70%~75%,富氧燃燒與空氣燃燒工況的質(zhì)量流量逐漸接近(如表3),爐內(nèi)的溫度分布也趨于接近.隨煙氣循環(huán)倍率進(jìn)一步增加,在80%循環(huán)倍率下,盡管富氧燃燒與空氣燃燒的煙氣體積流量相同,具有相似的爐內(nèi)流場分布,但質(zhì)量流量已顯著高于空氣燃燒,使富氧燃燒的爐內(nèi)溫度顯著低于空氣燃燒.
圖3 空氣燃燒及富氧燃燒濕循環(huán)工況爐膛對角截面溫度分布
圖4?不同工況下爐內(nèi)煙氣平均溫度沿爐膛高度分布
表4?不同工況下爐膛內(nèi)理論煙氣成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及比熱容(1800K)
Tab.4?Theoretical mass fractions of major flue gas components and specific heat of flue gas in different combustion modes (1800K)
圖5?不同燃燒方式下及比值
圖6給出了空氣燃燒和富氧燃燒濕煙氣循環(huán)工況在不同煙氣循環(huán)倍率下的爐膛壁面熱通量分布(左墻).可以看出,富氧燃燒壁面熱通量分布隨循環(huán)倍率的增加而迅速降低.這是由于輻射是鍋爐爐膛的主要傳熱機(jī)理,而輻射傳熱與溫度的四次方成正比,在高溫條件下對溫度的變化十分敏感,爐膛火焰溫度隨循環(huán)倍率增加而降低(如圖3),使?fàn)t膛的壁面熱通量迅速降低.
圖6 富氧燃燒濕煙氣循環(huán)不同煙氣循環(huán)倍率下鍋爐壁面熱通量分布(左壁面)
圖7給出了不同煙氣循環(huán)倍率下鍋爐壁面熱通量沿爐膛高度的分布.可以看出,65%循環(huán)倍率下,富氧燃燒爐膛的壁面吸熱量高于空氣燃燒,但在70%循環(huán)倍率下富氧燃燒的壁面吸熱量已低于空氣燃燒,表明煙氣再循環(huán)是調(diào)控富氧燃燒爐膛壁面吸熱量的有效方式,在約68%循環(huán)倍率可獲得與空氣燃燒匹配的吸熱量.然而對比圖4和圖7發(fā)現(xiàn),在70%循環(huán)倍率下,盡管富氧燃燒的爐膛煙溫高于空氣燃燒,且爐膛的輻射換熱對溫度十分敏感,但其壁面熱通量卻低于空氣燃燒.這是由于爐膛傳熱不僅由爐內(nèi)的煙溫分布決定,同時還受爐內(nèi)煙氣成分和輻射特性的影響.
圖7 不同燃燒方式和煙氣循環(huán)倍率下鍋爐壁面熱通量沿爐膛高度分布
與空氣燃燒煙氣的主體成分N2不同,富氧燃燒煙氣的主體成分CO2與H2O為三原子氣體,具有較強(qiáng)的發(fā)射和吸收輻射的能力,使富氧燃燒煙氣具有與空氣燃燒顯著不同的輻射特性.圖8給出了70%循環(huán)倍率不同燃燒方式下煙氣吸收系數(shù)在爐膛不同高度橫截面的分布.可以看出,富氧燃燒與空氣燃燒煙氣成分以及CO2、H2O與N2輻射特性的差異,使富氧燃燒工況的煙氣吸收系數(shù)明顯大于空氣燃燒,特別是在近壁面區(qū)域.這使富氧燃燒爐膛中心高溫火焰發(fā)出的輻射熱在近壁區(qū)更多地被煙氣所吸收,不利于高溫火焰與水冷壁之間的輻射換熱,這是70%循環(huán)倍率下盡管富氧燃燒的爐膛煙溫高于空氣燃燒,但其壁面總體吸熱量仍低于空氣燃燒的主要原因.
圖8 不同燃燒方式下煙氣吸收系數(shù)在不同爐膛高度橫截面(y為24m和28m)的分布
本文以320MW四角切圓鍋爐為研究對象,重點(diǎn)分析研究了爐內(nèi)煙氣成分及物性在不同燃燒方式和循環(huán)倍率下的變化對富氧燃燒鍋爐爐內(nèi)流動、溫度及傳熱特性的影響,并與空氣燃燒工況進(jìn)行了對比.研究結(jié)果表明,由于富氧燃燒煙氣的主體成分為CO2和H2O,而空氣燃燒煙氣的主體成分為N2,煙氣成分的差異使不同燃燒方式間的煙氣物性有明顯不同,如密度、比熱和氣體吸收系數(shù)等,將顯著影響爐內(nèi)的流動、溫度及傳熱分布,使富氧燃燒在不同煙氣循環(huán)倍率下才可分別獲得與空氣燃燒方式相近的爐內(nèi)流場、溫度和壁面吸熱分布:
(1) 由于富氧燃燒煙氣的密度明顯高于空氣燃燒,使富氧燃燒在煙氣質(zhì)量流量遠(yuǎn)大于空氣燃燒的條件下(約80%煙氣循環(huán)倍率)才可獲得與空氣燃燒相近的煙氣體積流量和流場分布.然而,在此循環(huán)倍率下,富氧燃燒的爐內(nèi)溫度及壁面吸熱量均顯著低于空氣燃燒;
(3) 由于富氧燃燒煙氣的輻射吸收系數(shù)明顯高于空氣燃燒,特別是在近壁區(qū)附近,不利于爐內(nèi)高溫火焰與水冷壁之間的輻射換熱,使富氧燃燒需在更低循環(huán)倍率(約68%)即更高爐膛煙溫條件下才可獲得與空氣燃燒相近的壁面吸熱量.
目前,關(guān)于富氧燃燒煙氣再循環(huán)的研究只關(guān)注了再循環(huán)煙氣量對爐內(nèi)煙溫分布的影響,通過匹配富氧燃燒與空氣燃燒間的爐內(nèi)煙溫來實(shí)現(xiàn)二者之間爐膛壁面吸熱量的匹配.然而,本文研究結(jié)果表明,再循環(huán)煙氣量并非爐膛煙溫的唯一控制因素,爐內(nèi)煙溫同時還取決于爐內(nèi)煙氣的比熱變化;而爐內(nèi)煙溫亦不能作為爐膛吸熱量的唯一判斷因素,因?yàn)楸诿嫖鼰崃客瑫r還受氣體輻射吸收系數(shù)的強(qiáng)烈影響.因此,在設(shè)計新型富氧燃燒系統(tǒng)或?qū)ΜF(xiàn)有空氣燃燒系統(tǒng)進(jìn)行富氧燃燒改造時,需綜合考慮煙氣流量與煙氣成分及物性變化的影響.
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Influence of Flue Gas Composition on the Heat Transfer Characteristics of Oxy-Fired Boiler
Xie Yan1, 2,Wang Heyang1, 2,Zhao Jun1, 2,Liu Xin3,Zhang Chaoqun3
(1. School of Mechanical Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2. Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy (Tianjin University),Ministry of Education,Tianjin 300350,China;3. Yantai Longyuan Power Technology Co.,Ltd,Yantai 264006,China)
oxy-fuel combustion;flue gas composition;flue gas recirculation;radiation heat transfer
TK16
A
1006-8740(2022)03-0283-09
2021-01-19
謝?妍(1994—??),女,博士研究生,1019201071@tju.edu.cn.
王赫陽,男,博士,教授,heyang.wang@tju.edu.cn.
10.11715/rskxjs.R202101014
(責(zé)任編輯:隋韶穎)