增压富氧燃烧烟气物性及对流传热系数的研究

符号说明 :
p ———压力 ,Pa T ———流体温度 , K
Tc ———流体临界温度 , K Tr ———对比温度
T 3 ———无量纲温度 V ———流体体积 ,m3
收稿日期 :2011203221 修订日期 :2011205210 基金项目 :国家高技术研究发展 863 计划专项经费资助项目 (2009AA05Z310) 作者简介 :马 凯 (19842) ,男 ,山东聊城人 ,博士研究生 ,主要从事高效低污染煤燃烧理论和新能源开发与利用方面的研究.
压力下 ,烟气中的 CO2 与水蒸气离液态较近 ,与理 1. 1 密度计算
想状态偏差较大. 试验测量数据表明 ,将理想气体状 本文采用维里方程作为实际气体的状态方程 ,
态方程用于实际气体时会产生较大偏差. 如对于 具体计算过程见文献[ 6 ] .
第 11 期
马 凯 ,等 :增压富氧燃烧烟气物性及对流传热系数的研究
能 ,与常压下的富氧燃烧系统相比具有更高的发电 了理论基础.
效率. 此外 ,高压下锅炉排烟中的水分凝结温度提高 到 167～222 ℃,可回收大量的烟气冷凝热 ,且燃烧
1 增压富氧燃烧下烟气物性的计算
效率与传热效率得到很大提高 ,燃烧与传热设备体 烟气的物性包括热力学性质和传递 (迁移) 性
积大幅减小[223 ] .
气体混合物的理想气体定压热容为 :
∑ C0p, m =
x i C0p ,i
(2)
i
在同一温度和组成下 ,实际气体定压热容与理
想气体定压热容有如下关系[8] ,这一关系对纯气体
或组成不变的气体混合物都是适用的 :
Cp = C0p + ΔC p
(3)
ΔCp 可用恒压和恒组成下焓差的偏微商确定 :
与封存 ( CCS) 是实现 CO2 减排的关键技术 ,而富氧 到 - 62. 19 %[5] .
燃烧系统是 CCS 技术中富有前景的方案之一[1] .
因此 ,基于理想气体的烟气物性计算方法已经
现有富氧燃烧技术中的空气分离制氧与压缩高 不适用于高温高压下的富氧燃烧烟气 ,而增压富氧
浓度 CO2 烟气过程均在高压下进行 ,但富氧燃烧在 燃烧下燃烧产物物性及对流传热系数的计算未见相
Elect ric Power U niver sit y , Baoding 071003 , China)
Abstract : Flue gas f ro m p ressurized o xy2f uel co mbustio n can not be t reated as ideal gas. In order to calcu2 late t he p hysical p roperties and co nvective heat2t ransfer coefficient s of t he flue gas , t he densit y of p ressur2 ized flue gas has been calculated wit h 32parameter virial equatio n based o n real gas case , while t he specific heat at co nstant p ressure solved wit h excess heat capacit y , and t he dynamic visco sit y and co nductivit y o b2 tained by t he Chung met ho d. Result s show t hat t he densit y of flue gas f ro m p ressurized (6. 0M Pa) co m2 bustio n is 60 times more t han t hat f ro m at mo sp heric co mbustio n , but t he specific heat , t he dynamic visco s2 it y , t he t hermal co nductivit y and t he Prandtl number are basically t he same at above t wo co mbustio n modes. At t he same flow rate of flue gas , t he gas2side heat2t ransfer coefficient can be raised by mo re t han ten times. Key words : p ressurized o xy2f uel co mbustio n ; flue gas p ropert y ; real gas ; co nvective heat2t ransfer coeffi2 cient ; virial equatio n
CO2 和水蒸气 ,还有少量的 O2 和 N2 ,其中 CO2 的 范德瓦尔方程及在此基础上衍生出的维里方程 、R2
摩尔分数约为 85 % ,加上烟气中的水蒸气 ,三原子 K 方程 、R KS 方程 、P2R 方程 、M2H 方程以及基于
气体的份额将达到 95 %以上. 在 6. 0～8. 0 M Pa 的 对比态原理的对比态状态方程等.
电话 ( Tel . ) :13582275551 ; E2mail : kai_ma @126. com.
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动 力 工 程 学 报
第 31 卷
V c ———流体临界摩尔体积 ,m3 / mol
η———流体动力黏度 ,Pa ·s
υ———烟气运动黏度 ,m2 / s
数,%
ω———工质偏心因子 μr ———工质对比偶极矩 κ———缔合因子 ε/ k ———流体的 Lennard2Jones 势能参
f ———管内流动的达尔西阻力系数 Re ———烟气雷诺数 Pr ———烟气普朗特数 N u ———烟气努塞尔数
h ———烟气传热系数 ,W/ (m2 ·K)
数 ,K
上标和下标
增压富氧燃烧烟气物性及对流传热系数的研究
马 凯 , 阎维平 , 高正阳
(华北电力大学 电站设备状态监测与控制重点实验室 , 保定 071003)
摘 要 : 增压富氧燃烧产生的烟气不能作为理想气体处理 ,为了计算增压富氧燃烧产生烟气的物 性和对流传热系数 ,采用基于实际气体的三参数维里方程计算了增压条件下烟气的密度 ,通过剩余 热容求解烟气的定压热容 ,并采用 Chung 等的方法解得烟气的动力黏度和导热系数. 结果表明 :与 常压条件下相比 ,增压 (6. 0 M Pa) 下的烟气密度增大了约 60 倍 ,定压热容 、动力黏度 、导热系数变 化及普朗特数变化不大 ;在相同的烟气流速下 ,烟气侧的对流传热系数提高了十几倍. 关键词 : 增压富氧 ;烟气物性 ;实际气体 ;对流传热 ; 维里方程
H ———流体的焓 ,J
σ ———流体的 Lennard2Jones 势能参数 ,!
m ———气体混合物
S ———流体的熵 ,J / K
do ———换热管管外径 ,m
i 、j ———气体混合物中各组分
G ———流体吉布斯自由能 ,J
di ———换热管管内径 ,m
p ———定压
Z ———压缩因子
u ———最小截面的烟气流速 ,m/ s
R ———气体常数 ,J / (mol ·K)
η0 ———低压下气体动力黏度 ,Pa ·s
λ———烟气导热系数 ,W/ (m ·K)
cp ———气体比定压热容 ,J / (kg ·K)
η3 ———动力黏度修正因子
s1 、s2 ———换热管束横向节距和纵向节
Cp ———气体定压热容 ,J / K Cv ———气体定容热容 ,J / K
Physical Prop ertie s and Convective Heat2transfer Coefficient s of Flue Ga s from Pre ssurized Oxy2fuel Combustion
M A Kai , YA N W ei2pi n g , GA O Z hen g2y an g (MO E’s Key Lab of Co nditio n Mo nitoring and Co nt rol for Power Plant Equip ment , No rt h China
第 31 卷 第 11 期 2011 年 11 月
动 力 工 程 学 报 J o urnal of Chinese Societ y of Power Engineering
Vol . 31 No . 11 Nov. 2011
文章编号 :167427607 (2011) 1120861208 中图分类号 : T K229. 2 文献标识码 :A 学科分类号 :470. 30
常压下进行 ,系统压力经历升2降2升的过程 ,能量损 关报道 ,使得烟气对流换热器的设计缺少依据. 针对
失严重. 在富氧燃烧技术基础上提出的增压富氧燃 以上问题 ,笔者对增压富氧煤燃烧产生烟气的物性
烧技术从空气分离制氧 、锅炉燃烧与传热 ,直到压缩 计算方法进行了研究 ,对烟气密度 、定压热容 、动力
M ———流体摩尔质量 ,kg/ mol Ωv ———分子碰撞积分
距 ,m l ———换热管管长 ,m
ΔCp ———剩余定压热容 ,J / K
Fc ———分子形状和极性修正因子
ct ———温度修正因子
cv ———气体比定容热容 ,J / (kg ·K) ρ———流体密度 ,m3 / kg xi ———气体混合物中各组分的摩尔分
烟气捕集 CO2 的 全过 程均 维持 在高 压下 ( 6. 0 ～ 黏度及导热系数进行求解 ,并得到烟气的对流传热
8. 0 M Pa) 完成 ,无压力波动 ,可大大减少压缩能耗 系数 ,与常压富氧煤燃烧下的相关参数进行了对比