富氧燃烧技术作为一种有应用前景的燃煤电站二氧化碳捕集与封存技术,其原理是采用氧气与再循环烟气的混合气进行煤粉燃烧,产生的烟气经脱硫、脱水和纯化后CO₂浓度可达95%。将常规燃煤电站改造为富氧燃烧电站可行性较高,国内外许多研究机构对此开展了大量的研究工作,目前世界上已建成一些中试规模富氧燃烧电站,但尚未建成商业化规模的富氧燃烧电站。对商业化规模的富氧燃烧电站热力系统进行仿真优化,一方面通过系统热集成优化以降低系统能耗和提高机组的热经济性,另一方面为富氧燃烧电站的实施提供了有价值的参考依据。本文首先运用Aspen Plus软件对315 MWe常规燃煤电站进行系统建模和富氧燃烧改造,分别建立了空分装置、煤粉燃烧锅炉、蒸汽朗肯循环、烟气处理子系统模型并进行耦合热集成优化。模拟结果表明:对该电站热力系统进行富氧燃烧改造,机组净效率由36.1%下降至22.7%。首先对空分装置进行制氧纯度优化,烟气再循环方式优化,然后回收空分装置压缩空气和尾气处理装置压缩烟气产生的废热用于加热锅炉给水,减少回热抽汽量,增加蒸汽做功量,使用干烟气再循环替代湿烟气再循环,使用蒸汽透平直接驱动辅机工作,从而减少机组辅助设备电耗。经过热力系统耦合优化,最终机组净效率增加到27.8%。其次,由于富氧燃煤烟气中CO₂和水蒸气三原子气体浓度增加,烟气的密度、比热容、导热系数、粘度等物性参数不同于常规燃煤烟气,因此烟气辐射、对流传热特性都将发生变化。研究富氧燃烧电站锅炉的传热特性对于指导富氧燃烧电站锅炉对流受热面设计和布置具有重要的意义。以某315MWe燃用新疆准东煤的电站锅炉为研究对象,采用Aspen Plus软件建立准东煤粉燃烧模型,通过燃烧过程模拟得出烟气参数、Na元素转化规律,并使用带有Boston-Mathiasα函数的Peng-Robinson立方状态方程（PR-BM物性方法）对烟气物性进行估算。在此基础上,结合传热理论计算和数值模拟,分析了锅炉烟道内对流受热面的传热性能。在相同的烟气流速下,O₂/CO₂烟气再循环燃烧提高了烟气对流传热性能,末级再热器管壁平均对流传热系数增加了约21.4W/（m²?K）,出口汽温提高了约11.3K。最后,为了验证准东煤富氧燃烧对锅炉传热性能的影响,设计并搭建了基于管式沉降炉的富氧燃烧条件下准东煤灰沾污、积灰及对传热影响的试验系统。在进行传热试验段设计时,采用CFD软件对增设导流片、整流格栅以改善流场均匀性进行了数值模拟,比较空气/富氧气氛下的对流传热试验段的传热性能。结果表明,在弯头和水平过渡段设置导流片,并在传热试验段入口段设置整流格栅,可以使流速分布更加均匀。通过对壁面光洁的传热试验段进行流动与传热数值模拟,可以发现蛇形管对流换热量增加了约1700W,对流传热系数略有增加,出口空气温度升高了55℃。