富氧燃烧条件下锅炉燃料燃烧影响因素研究

杨 铭，王春华，王志华，赵占明，李文兴，姜冠佳

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001）

富氧燃烧是采用比空气中含氧量高的空气来助燃。富氧空气中氧气浓度一般为27%~33%。目前富氧燃烧的研究主要集中富氧锅炉内的燃烧特性、传热特性及污染特性等方面的研究，研究表明[1-7]，在富氧燃烧条件下，火焰温度升高，燃烧速度加快，燃烧完全程度提高，燃料的燃点温度降低，燃尽时间缩短，过量空气系数降低，烟气量减少；污染物排放（CO、SO2、NOx）降低。虽然目前富氧燃烧的燃烧特性和污染物排放特性研究众多，但对于富氧燃烧条件下的燃烧计算方法却研究较少。由于富氧燃烧方式与常规燃烧方式的差别，对富氧燃烧条件下锅炉热力计算进行相关研究是非常有必要的。虽然国内一些学者对此做了不少前瞻性工作[8,9]，主要集中在富氧燃烧条件下炉膛含高浓度CO2和H2O等辐射气体的辐射换热特性，利用新的辐射特性计算方法来对富氧燃烧锅炉整体进行热力计算和分析。但并没有形成一个系统的完整的计算过程，仍处于探索性认识阶段。

因此，笔者以常规锅炉热力计算中燃料燃烧计算公式为框架，结合富氧锅炉热力系统的特点，提出适合富氧燃烧条件下锅炉热力计算的燃料燃烧计算方法，开发出富氧燃烧条件下锅炉用燃料燃烧计算的软件，为今后发展和完善富氧锅炉热力计算提供必要的理论基础。

1 锅炉富氧燃烧计算模型

闫凯[10]等人以常规锅炉燃料燃烧计算方法为基础，建立了富氧燃烧锅炉的燃料燃烧计算方法，导出了富氧燃烧条件下燃料所需理论助燃剂量和理论烟气量的计算模型，导出了烟气再循环和不考虑烟气再循环2种条件下的实际烟气量、烟气质量、烟气密度、飞灰质量浓度和烟气焓的计算公式。为简化计算，笔者运用VB6.0对上述计算模型进行了程序编程，同时分析了锅炉操作参数对锅炉燃烧特性的影响。

2 锅炉富氧燃烧计算VB程序的实现

2.1 程序计算流程

富氧燃烧条件下锅炉燃料燃烧计算程序流程如图1所示。

图1 程序计算流程Fig.1 Calculation flow diagram of the program

2.2 程序主要应用界面

富氧燃烧条件下锅炉燃料燃烧计算程序主要界面如图2所示。

图2 程序主要应用界面Fig.2 Main interface of the program

3 富氧燃烧条件下锅炉燃烧特性的因素分析

3.1 氧气浓度对理论空气量和烟气量的影响

根据图3所示，理论空气量和理论干烟气量随着氧气浓度的增加呈现下降趋势；在低氧气浓度（<35%）下，随着氧气浓度的增加，理论空气量和理论干烟气量均显著减少，而在高氧气浓度（>35%）时，两者减少程度变缓。

图3 氧气浓度对理论空气量和理论干烟气量的影响Fig.3 Influence of oxygen concentration on the theory air and dry smoke volume

3.2 氧气浓度对锅炉热效率的影响

3.2.1 不同排烟温度下氧气浓度对锅炉热效率的影响由图4可知，排烟温度越高，锅炉热效率受氧气浓度的影响越显著。

图4 不同排烟温度下氧气浓度对锅炉热效率的影响Fig.4 Influence of oxygen concentration on the boiler thermal efficiency at different smoke temperature

在不同排烟温度下，锅炉热效率随着氧气浓度的增加呈上升趋势：氧气浓度越高，锅炉热效率越高；在低氧气浓度下，氧气浓度对锅炉热效率的影响较为显著，高氧气浓度下（>35%），锅炉热效率随着氧气浓度的增加而增加，但增加缓慢。

3.2.2 不同过量氧气系数下氧气浓度对锅炉热效率的影响

由图5可知，在过量氧气系数一定的情况下，随着氧气浓度增大，锅炉热效率增大。在同一氧气浓度下，过量氧气系数越小，锅炉热效率越高；氧气浓度低于35%时，锅炉热效率随着氧气浓度的增大上升速度加快，氧气浓度高于35%以后上升速度变缓。

图5 不同过量氧气系数下氧气浓度对锅炉热效率的影响Fig.5 Influence of oxygen concentration on the boiler thermal efficiency at different excess oxygen coefficient

3.3 氧气浓度对锅炉燃料消耗量的影响

由图6可以得知，在温度一定的情况下，随着氧气浓度的增加，所需要的燃料消耗量越少。氧气浓度在35%以下时燃料消耗量变化的快，氧气浓度在35%以后，燃料消耗量变化的缓慢。同一氧气浓度下，排烟温度越高，燃料消耗量越多。由此可以得出富氧燃烧优越于常规燃烧。

图6 氧气浓度对锅炉燃料消耗量的影响Fig.6 Influence of oxygen concentration on the boiler fuel consumption

4 结 论

运用富氧燃料燃烧原理，对锅炉操作参数中氧气浓度对锅炉效率、空气量、烟气量的影响，和富氧燃烧条件下排烟温度、过量氧气系数对锅炉热效率的影响进行燃料燃烧计算，并且开发VB计算软件，对数据进行系统分析与研究，从而得出一系列结论：氧气浓度越高锅炉热效率越高，需要的空气量越少，排出的烟气量也越少，减少排放。低氧气浓度（<35%）下，改变氧气浓度，能够显著降低空气量、排烟量与燃料消耗量，提高锅炉热效率；高氧气浓度（>35%）下，空气量、排烟量、锅炉热效率、燃料消耗量受氧气浓度的影响减小；降低过量氧气系数，或降低排烟温度，都能够有效提高锅炉热效率。由此可知，锅炉采用富氧燃烧，不仅能够减少燃料消耗量，减少排烟量与空气量，还能够提高锅炉热效率，但不能够通过一味提高氧气浓度来达到提高锅炉热效率的目的，要综合考虑增加富氧系统的成本与获取收益之间的平衡关系。

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