鍋爐結(jié)渣過程的數(shù)值模擬

鍋爐結(jié)渣過程的數(shù)值模擬

0建立結(jié)渣模型的研究鍋爐殘渣是一項復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，對鍋爐的運營效率和運營安全有重要影響。至今,沒有完全成熟的理論能夠解釋鍋爐的結(jié)渣過程,但是經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者的不斷研究,已經(jīng)大體上把結(jié)渣的形成分成了三個階段,建立了初步的結(jié)渣理論。在此結(jié)渣理論的基礎(chǔ)之上,采用數(shù)值模擬的方法,通過建立結(jié)渣模型,對結(jié)渣過程進行數(shù)值模擬,可以很好的預(yù)測結(jié)渣發(fā)生的位置、結(jié)渣量、結(jié)渣量隨時間的變化、結(jié)渣對換熱的影響等。進而,提出有效的措施避免或減輕結(jié)渣。1煤質(zhì)特性分析結(jié)渣過程受多種因素影響,和煤質(zhì)特性、爐膛結(jié)構(gòu)、燃燒器布置、爐內(nèi)空氣動力場、溫度水平和熱負荷以及運行工況等都密切相關(guān),其中煤質(zhì)特性即煤灰中的礦物組分在爐膛環(huán)境下發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化是決定鍋爐結(jié)渣特性的主要因素。煤灰是由各種礦物質(zhì)在高溫作用下組成的混合物,其變化過程較復(fù)雜。除各礦物組分熔融外,各組分之間還會發(fā)生反應(yīng)生成新的礦物,并且各礦物之間也會發(fā)生共熔現(xiàn)象,結(jié)渣特性在很大程度上取決于煤中礦物質(zhì)在爐內(nèi)高溫熱力環(huán)境中的行為。通常,結(jié)渣的形成包括以下三個過程。1.1硫酸鈉的性質(zhì)爐管上灰沉積物迅速聚結(jié)的基本條件是存在一個粘性表面,粘性表面一般由硫酸鈉、硫酸鈣或鈉、鈣與硫酸鹽的共晶體等基本物質(zhì)組成。粘性沉積物處于熔融或半熔融態(tài),對金屬或耐火材料具有潤濕作用,并且灰成分一般也能相互潤濕,這樣由于粘附作用而形成初始沉積層。1.2捕收劑表面的確定隨著初始沉積層的加厚,煙溫升高,沉積速率加快,沉積物與沉積物之間以及沉積物與受熱面之間粘接強度增加,沉積層表面溫度升高,直至沉積到沉積層的熔融或半熔融顆?；静辉侔l(fā)生凝固而形成粘性流體層,即捕捉表面。1.3固體顆粒的流動捕捉表面形成后,無論灰粒的粘度、速度及碰撞角度如何,只要接觸到沉積層的顆粒一般均會被捕捉,使沉積層快速增加,被捕捉的固體顆粒溶解在沉積面上,使熔點或粘度升高,從而發(fā)生凝固而又形成新的捕捉表面,直到沉積表面溫度達到重力作用下的極限粘度值時的溫度,使沉積層的形成不再加厚而使撞擊上的灰粒沿管壁表面向下流動。結(jié)渣速度取決于一次沉積層的形成過程,各沉積層的形成均以慣性沉積為主,是否結(jié)渣以及結(jié)渣的程度與煤種、爐溫、空氣動力場等有關(guān)。2渣模型對2.1結(jié)渣過程模擬結(jié)渣模型一般包括以下一些過程的模擬,這些過程的模擬是結(jié)渣模型的基礎(chǔ)。這些模擬包括:(1)飛灰形成模擬;(2)飛灰輸送模擬;(3)飛灰與壁面的碰撞和粘附模擬;(4)渣層生長模擬;(5)渣層特性和強度模擬;(6)通過渣層的傳熱模擬;(7)渣層對運行條件影響的模擬;(8)結(jié)渣對流動影響的模擬。各結(jié)渣模型的不同主要區(qū)別在于對上述各過程的模擬不同。其中飛灰的輸送模擬和顆粒與壁面的粘附模擬是結(jié)渣模擬中的重點。2.2飛灰輸送模型飛灰顆粒主要是沿著氣流的主流方向流動,導(dǎo)致顆粒與壁面碰撞的主要因素是氣相湍流引起的氣相速度波動對顆粒的作用,使顆粒脫離主流方向,通過邊界層到達壁面發(fā)生碰撞。因此,引入了隨機軌道模型(SSF)來模擬飛灰輸送,SSF模型的核心是氣相速度波動對顆粒軌道的影響通過顆?！鰷u的隨機相互作用表示,假定速度脈動是等方性的,通過對高斯提出的含有標準的偏差方程(2k/3)0.5的PDF進行取樣,計算速度脈動,通過求解顆粒相瞬態(tài)動量方程,精確模擬顆粒在漩渦中的運動,在模擬顆粒-漩渦的相互作用時,假設(shè)速度波動保持不變。由于該模型考慮了氣相與顆粒相之間的滑移以及湍流脈動對顆粒軌跡的影響,用它計算得到的顆粒相平均速度、脈動速度與實驗值符合的較好。但是,由于SSF模型需要計算大量的顆粒軌道才能準確的計算顆粒碰撞,所以它耗時巨大。因此,對于復(fù)雜的問題,可以采用統(tǒng)計顆粒云模型,提高計算效率。2.3碳灰粉連接模型2.3.1聚合物的結(jié)構(gòu)煤中的礦物質(zhì)以粘土礦物如高嶺土、伊利石等硅酸鹽和鋁硅酸鹽為主。因此,煤灰熔體主要成分也應(yīng)為硅酸鹽/鋁硅酸鹽。硅酸鹽/鋁硅酸鹽的粘度主要由兩個因素決定:溫度和化學(xué)組成。(1)溫度因素Urbainandco-workers已經(jīng)發(fā)現(xiàn)溫度對于硅酸鹽和鋁硅酸鹽的粘度的決定作用非常重要,溫度和粘度的關(guān)系可以用下式表示log(η/T)=A+103BT(1)log(η/Τ)=A+103BΤ(1)式中T—顆粒溫度,K;η—顆粒在溫度T下達到平衡態(tài)的粘度;A、B—常數(shù),由顆粒的化學(xué)組成決定。(2)化學(xué)組成因素當前流行、比較公認的硅酸鹽熔體結(jié)構(gòu)模式是由眾多學(xué)者發(fā)展的聚合作用模式。實驗證明:硅酸鹽熔體同其晶體一樣,其基本結(jié)構(gòu)單元為Si-O四面體。Si-O四面體通過橋氧聯(lián)結(jié)成各種形狀、大小、復(fù)雜程度不同的陰離子結(jié)構(gòu)團,這種聚合陰離子團構(gòu)成了硅酸鹽熔體的基本結(jié)構(gòu)單位。從局部看,熔體結(jié)構(gòu)類似于晶體結(jié)構(gòu),但總體上熔體中原子不成空間連續(xù)規(guī)則排列。原子沒有固定晶格位置,陰離子團的位置隨原子的熱運動而不斷改變。但是在一定溫度、壓力、組成下,熔體的平衡結(jié)構(gòu)是一固定可重現(xiàn)函數(shù)。在硅酸鹽熔體中,氧有三種結(jié)構(gòu)狀態(tài):(1)橋氧:是指聯(lián)結(jié)兩個Si-O四面體的氧,與兩個Si4+或取代Si4+的四次配位陽離子(Ti4+,A13+,Fe3+等)相聯(lián),表示為Si-O-Si,或O0。(2)非橋氧:是聯(lián)結(jié)一個硅和一個非四次配位陽離子的氧,表示為Si-O-Me+或O-。(3)自由氧:表示為Me+-O-Me+,或O2-。它們的含量比及分布是熔體聚合程度的標志。在研究鋁硅酸鹽結(jié)構(gòu)中,每個四面體中的非橋氧數(shù),即NBO/T是衡量熔體聚合程度的重要尺度,NBO/T定義為NBO/T=CaO+MgO+FeO+Na2O+K2O?Al2O3?FeO3(SiO2+TiO2)/2+Al2O3+Fe2O3(2)ΝBΟ/Τ=CaΟ+ΜgΟ+FeΟ+Νa2Ο+Κ2Ο-Al2Ο3-FeΟ3(SiΟ2+ΤiΟ2)/2+Al2Ο3+Fe2Ο3(2)NBO/T值愈低,聚合程度就越高。如單四面體(島狀)硅酸鹽,NBO/T=4;鏈狀結(jié)構(gòu),NBO/T=2;席狀結(jié)構(gòu),NBO/T=1;三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),NBO/T=0。利用多重衰退分析和試驗觀測可以得出公式(1)中參數(shù)B,由參數(shù)B和NBO/T可以計算出公式(1)中參數(shù)A,最后把參數(shù)A和B代入公式(1)計算出飛灰顆粒的粘度。2.3.2飛灰顆粒-臨界粘度模型決定碰撞顆粒粘附的因素包括:顆粒和壁面溫度、入射速度和角度、組分和粘度等,其中,顆粒的粘度是最重要的因素。目前,所有的研究都采用臨界粘度(μref)的概念作為計算顆粒粘附概率的準則。當飛灰顆粒的粘度低于臨界粘度,認為飛灰顆粒能夠粘附在壁面上的概率為1,當高于臨界粘度,認為粘附概率為臨界粘度與顆粒實際粘度之比,具體模型為pi(Tps)=μrefμpi(Τps)=μrefμ(μ>μref)(3)pi(Tps)=1(μ<μref)(4)式中,pi為具有平均粘度μ的顆粒群i粘附于壁面的概率,Tps為顆粒群i的溫度。該方法最大的優(yōu)點是模型簡單,易于工程計算。但該模型未考慮氣流入射速度和入射角度對結(jié)渣率的影響,并且也未給出顆粒粘附數(shù)目的絕對數(shù)目。目前,所有研究都采用這一模型來計算顆粒粘附率,所得結(jié)果與實驗符合很好。2.4渣生長模型結(jié)渣生長模型是描述結(jié)渣從開始到穩(wěn)定的動態(tài)過程,主要包括結(jié)渣層厚度的增長、結(jié)渣量隨時間的變化、渣層物性的變化和通過渣層的傳熱。2.4.1影響渣層過程的因素實際的結(jié)渣過程必然引起渣層物性的變化,很多研究通過選取盡可能符合實際物理化學(xué)反應(yīng)的物性參數(shù)函數(shù)來模擬實際的復(fù)雜過程。物性參數(shù)主要包括:渣層的導(dǎo)熱系數(shù)、多孔率、吸收率、發(fā)射率等。其中,影響結(jié)渣生成、結(jié)渣特性和傳熱顯著的參數(shù)必須要考慮,灰渣的多孔率和導(dǎo)熱系數(shù)是最重要的兩個參數(shù)。多孔率的求解有3種方法:(1)人為地將渣層化分為三層,每一層內(nèi)的多孔率的值不同但保持常數(shù),不隨結(jié)渣的生成而改變;(2)認為多孔率與渣層達到平衡時的固相體積分數(shù)和液相體積分數(shù)有關(guān);(3)基于渣層之間發(fā)生燒結(jié)反應(yīng)來計算多孔率。導(dǎo)熱系數(shù)也是影響渣層生長的重要物性參數(shù)。對應(yīng)多孔率的三種求法,導(dǎo)熱系數(shù)也有三種求法,可以參考與之相應(yīng)的求解多孔率的文獻。2.4.2飛灰的球磨破由于結(jié)渣的不斷生長,渣層熱阻逐漸增大,傳熱惡化,導(dǎo)致渣層表面溫度急劇升高。同時,碰撞到已經(jīng)結(jié)渣壁面的飛灰顆粒度的粘度逐漸降低,當碰撞到壁面的飛灰顆粒的粘度小于一定值時,飛灰顆粒碰撞到壁面上被已形成的渣層捕獲而不結(jié)渣,這主要是由于渣層的粘附力不足以承受飛灰顆粒的重力導(dǎo)致的。此時,結(jié)渣過程停止,碰撞到壁面的飛灰顆粒在自身重力作用下沿重力方向流動。3兄弟情誼模擬示例3.1爐硫管排設(shè)計及計算模型以某廠某臺余熱鍋爐為例,該鍋爐用于回收燃煤產(chǎn)生的高溫煙氣余熱。余熱鍋爐為水管式,高溫煙氣走管外,水和蒸汽走管內(nèi)。爐膛橫截面的寬度為2.3m,高度為2.5m,長度為7m。選定換熱管的規(guī)格是,外徑51mm,壁厚3mm,采用錯排方式。這種方案的中心思想是在爐膛的前部設(shè)橫向管節(jié)距170mm,縱向125mm的管排,作為凝渣管排,防止結(jié)渣搭橋,中間留有三條檢修通道,便于工人進入爐內(nèi)清灰。其余管排橫向管節(jié)距100mm,縱向125mm,增大傳熱面積,加強換熱,減小余熱鍋爐體積。換熱管布置方式如圖1所示。爐膛整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。該余熱鍋爐入口高溫煙氣溫度1200K,用于產(chǎn)生1.0MPa蒸汽,煙氣中的氣相物質(zhì)簡化成空氣;煙氣中含有顆粒相,即飛灰顆粒(以下簡稱粒子),粒子粘度的氧化物組成如表1所示。爐膛和結(jié)渣層的特性參數(shù)如表2所示。取爐膛結(jié)構(gòu)的二維截面作為數(shù)值模擬的模型。入口條件為速度入口,出口條件為壓力出口,將換熱管劃分為5個區(qū)域(分別為HR1、HR2、HR3、HR4、HR5),通過UDF編程建立結(jié)渣模型,在這5個區(qū)域同時模擬結(jié)渣和結(jié)渣對換熱的影響,進而分別得出不同換熱區(qū)域的結(jié)渣情況。模型如圖3所示。3.2模擬結(jié)果(1)股粒子流中粒子的運動軌跡經(jīng)過4785個時間階的模擬之后,余熱鍋爐結(jié)渣過程穩(wěn)定。絕大部分的粒子都在爐膛內(nèi)被受熱面捕獲,其中一部分粘附在受熱表面上形成渣層,另一部分被受熱表面捕獲并沿受熱表面流動,總之,這些粒子都沒能夠通過余熱鍋爐出口。只有一少部分粒子通過了出口界面排向了大氣。圖4和圖5分別顯示了id=15和id=0兩股粒子流中包含的粒子的運動軌跡,圖6顯示了余熱鍋爐所有粒子的運動軌跡。圖4為id=15的一股粒子流的軌跡,從圖中可以看出,當余熱鍋爐結(jié)渣穩(wěn)定后,此股粒子流包含的全部粒子都結(jié)渣在換熱管上,沒有粒子流出余熱鍋爐。圖5為id=0的一股粒子流軌跡,該股粒子流一共包含10個粒子。從圖中可以看出,當余熱鍋爐結(jié)渣穩(wěn)定后,此股粒子流全部粒子軌跡中的4條粒子軌跡因結(jié)渣中斷在換熱管上,其余6條粒子軌跡通過了余熱鍋爐的出口界面。也就是說,該股粒子流中的40%粒子在換熱管發(fā)生結(jié)渣,其余60%粒子流出余熱鍋爐。從圖6中可以看出,被跟蹤粒子軌道數(shù)為840,經(jīng)過4785個時間階的模擬,余熱鍋爐結(jié)渣過程達到穩(wěn)定狀態(tài),最終有739個粒子軌道因粒子結(jié)渣而沒有到達余熱鍋爐出口截面,101個粒子軌道通過余熱鍋爐出口界面,結(jié)渣率為88%。(2)結(jié)渣量對換熱管熱阻的影響以換熱區(qū)域1(HR1)為例,其他換熱區(qū)域換熱管外表面溫度變化的總體趨勢和換熱區(qū)域1類似,但是具體的時間節(jié)點和穩(wěn)定后換熱管外表面溫度有所不同。換熱區(qū)域1(HR1)換熱管外表面溫度變化如圖7所示。從圖中可以看出,在高溫煙氣開始進入余熱鍋爐的階段,換熱區(qū)域1(HR1)換熱管外表面溫度發(fā)生了幾次波動,這是由于模擬是以不發(fā)生結(jié)渣條件下?lián)Q熱穩(wěn)定時的情況為初始條件。當經(jīng)過了約550個時間階的模擬之后,換熱管外表面溫度開始持續(xù)增長,這是由于結(jié)渣量的不斷增加,渣層熱阻逐漸增大造成的。當模擬到4500個時間階的時候,換熱管外表面的溫度幾乎不再增長,此時換熱管外表面的溫度大約為1175K,這是由結(jié)渣停止生長模型決定的,此時,撞擊在換熱管上的粒子被換熱管上已形成的渣層捕獲,但粒子粘度足夠小,不能粘附在已形成的渣層上,而是在自身重力的作用下沿著換熱管流動到換熱管底端。(3)結(jié)渣情況對換熱管結(jié)構(gòu)的影響從圖8中可以看出,經(jīng)過4785個時間階后,余熱鍋爐結(jié)渣過程達到穩(wěn)定狀態(tài),不同換熱區(qū)域換熱管外徑(包含渣層厚度)都有不同程度的增長。其中,換熱區(qū)域4(HR4)換熱管外徑增長最大,達到28.83mm,增長了3.33mm;換熱區(qū)域5(HR5)換熱管外徑增長最小,增長到26.14mm,增長了0.64mm。換熱區(qū)域1、2、3(HR1、HR2、HR3)分別增長了2.57mm、2.56mm和1.32mm。結(jié)渣最嚴重的區(qū)域,換熱區(qū)域4(HR4),沒有結(jié)渣時換熱管中心間距最小值為100mm,換熱管外壁之間最小距離為49mm,結(jié)渣后換熱管外壁之間最小距離為42.34mm,和沒有結(jié)渣的情況相比,換熱管外壁之間最小距離減少了6.66mm,減少了13.6%。結(jié)渣最不嚴重的區(qū)域,換熱區(qū)域5(HR5),沒有結(jié)渣時,換熱管的空間結(jié)構(gòu)和換熱區(qū)域4(HR4)一樣,結(jié)渣后換熱管外壁之間最小距離為47.72mm,和沒有結(jié)渣的情況相比,換熱管外壁之間最小距離減少了1.28mm,減少了2.6%?？梢钥闯?在換熱區(qū)域5(HR5)結(jié)渣程度非常輕,可以考慮使用翅片管代替光管強化換熱,同時也縮小了余熱鍋爐的體積。(4)結(jié)渣形成的熱量圖9和圖10分別顯示了未發(fā)生結(jié)渣和結(jié)渣穩(wěn)定后,爐膛內(nèi)溫度的分布水平。從兩幅圖的比較中可以看出,未發(fā)生結(jié)渣時,余熱鍋爐入口煙氣溫度1200K,煙氣流速10m/s,代入熱量為23349280J/s,經(jīng)過換熱后,產(chǎn)生1.0MPa蒸汽,有效利用熱量為13119785J/s,占全部熱量的5