高浓度二氧化碳烟气辐射换热特性分析与计算

　　0　引　言

　　空气分离/烟气再循环技术又称O2/ CO2燃烧技术,是一种新型的洁净煤燃烧技术,被认为是减少火电厂CO2排放的最好的办法之一。该技术在燃烧系统中以O2和CO2代替空气,与常规燃烧相比,烟气成分有很大差别,二氧化碳浓度的增加致使其传热特性(尤其是辐射换热)发生改变。考虑到三原子气体对烟气辐射的重要影响以及试验、锅炉设计等的需要,因而有必要深入研究高浓度二氧化碳烟气辐射换热特性的变化[1~3]。

　　对常规辐射换热计算,工程中已经有了一些发射率的计算方法,最为常用的就是由纯试验得出的Hottel线算图和源于经验方式的原苏联锅炉热力计算标准[4],但这两种方法都是对常规燃烧烟气的考虑,各自的适用范围均有局限性。目前公认的最为准确的计算烟气辐射特性方法是,用于多组分烟气的D. K. Edwards方法[5]和逐线计算方法[6]。虽然它们理论上适用范围广、可靠性好,但计算量庞大、过程复杂,工程实用性不强,一般只将它们的计算结果作为检验其他模型的准确性和有效性的基准解。

　　Leckner提出了一种用于水蒸汽和二氧化碳发射率的计算方法,这种方法来自窄谱带模型对不同谱带的计算叠加,在理论上有着极为广泛的应用范围。本文应用该方法对高浓度二氧化碳烟气发射率进行计算,并与常规计算方法和精度模型的求解结果进行了对照,目的在于寻求高浓度二氧化碳烟气辐射特性的有效计算方式;同时采用Leckner方法考察了高浓度二氧化碳烟气发射率随不同因素的变化关系。

　　1　烟气发射率计算模型

　　1·1　Hottel线算图

　　关于水蒸汽和二氧化碳的发射率计算曾经进行过很多试验研究,在低温、小辐射层厚度区域,被认可并且比较完整可靠的是Hottel线算图。它是20世纪40年代由纯试验法得出的结果,就是通过试验测出气体黑度与辐射层厚度s、总压p、温度T等的关系,因为设备限制,烟气温度不能太高、辐射层厚度不能太大。所以高温、大辐射层厚度时的数据都是由低温、小辐射层厚度区域的数据外推得到,由于外推没有多少根据,所以这部分正确与否有一定的偶然性[4]。烟气中同时存在H2O和CO2两种成分时,气体发射率由式(1)计算:

Pa·m。随着工程上对高温、高压锅炉设计的日益要求,对计算精度要求也越来越高,在经常要计算烟气辐射特性的场合,根据现有的计算手段,也更希望在计算机上直接求解。

　　1·2　锅炉热力计算标准方法

　　常规锅炉热力计算中仍然采用前苏联1973年的锅炉热力计算标准方法,以布格尔定律计算三原子气体发射率[7]:

　　1·3　逐线计算方法