飛灰復(fù)燃技術(shù)在鍋爐爐內(nèi)燃燒數(shù)值模擬分析

飛灰復(fù)燃技術(shù)在鍋爐爐內(nèi)燃燒數(shù)值模擬分析

2012年4月23日的總結(jié)。鏈條爐排鍋爐作為我國(guó)在用工業(yè)鍋爐中的主要組成部分,在生產(chǎn)和生活中都發(fā)揮著重要作用。鏈條爐排下方供入的一次風(fēng)將床層內(nèi)的細(xì)小的煤顆粒帶入爐膛內(nèi),煤顆粒在爐膛內(nèi)沒(méi)有充分的燃燒便隨煙氣排出,致使飛灰的含碳量較高,不僅造成鍋爐熱效率降低,而且鍋爐煙囪冒黑煙,環(huán)境污染嚴(yán)重。面對(duì)這一問(wèn)題,飛灰回收復(fù)燃技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。鍋爐采用飛灰復(fù)燃技術(shù)需增設(shè)飛灰復(fù)燃裝置。飛灰復(fù)燃裝置大體分為兩大部分:一是飛灰收集裝置,通過(guò)在煙道處設(shè)置除塵器,實(shí)現(xiàn)飛灰顆粒與煙氣的分離,并將飛灰顆粒收集貯存起來(lái);二是返料裝置,其利用風(fēng)機(jī)導(dǎo)入二次風(fēng)將貯存起來(lái)的飛灰顆粒帶入爐膛,實(shí)現(xiàn)飛灰顆粒的復(fù)燃。實(shí)際工程表明,采用飛灰復(fù)燃技術(shù)確實(shí)可以提高鍋爐熱效率,減少燃料浪費(fèi)。但是,大量的飛灰顆粒被返送回爐膛,會(huì)對(duì)爐內(nèi)的燃燒狀況產(chǎn)生影響,尤其是對(duì)顆粒在壁面的沉積速率的影響很大,這一點(diǎn)是不可忽略的。本文依據(jù)現(xiàn)有的燃燒理論,選擇合適的數(shù)學(xué)模型,通過(guò)FLUENT來(lái)模擬采用飛灰復(fù)燃技術(shù)前后鏈條爐壁面顆粒沉積狀況,對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,同時(shí)針對(duì)不同的飛灰入射質(zhì)量流量和入射角,進(jìn)一步分析其對(duì)顆粒沉積速率的影響,并提出相應(yīng)的改善建議。1模型的構(gòu)建1.1鍋爐蒸發(fā)量、復(fù)燃聚酯纖維的計(jì)算本文以SZL15-1.25-AⅡ型雙筒鏈條蒸汽鍋爐為對(duì)象,物理模型如圖1所示,其結(jié)構(gòu)尺寸為長(zhǎng)7.246m、高4.004m、寬3.000m。該鍋爐為層燃式鏈條爐排鍋爐,鍋爐額定蒸發(fā)量為15t/h,額定蒸汽壓力為1.25MPa,額定蒸汽溫度466K,鍋爐設(shè)計(jì)熱效率77.32%。鍋爐每班運(yùn)行8h,預(yù)計(jì)每班收集的飛灰量約為1.286t。飛灰返料口設(shè)在爐膛喉部后側(cè),開(kāi)口直徑設(shè)置為150mm。復(fù)燃飛灰溫度為600K,含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%。燃用煤種分析如表1所示。爐排下一次配風(fēng)采用推遲配風(fēng),其各風(fēng)室的配風(fēng)比例如表2所示。1.2煤-水-鐵-灰-煤顆粒作用模式本文所采用的數(shù)學(xué)模型主要包括爐膛燃燒模型和壁面顆粒沉積模型。鏈條爐床層內(nèi)的煤經(jīng)過(guò)揮發(fā)以及焦炭燃燒等一系列復(fù)雜反應(yīng)后,產(chǎn)生揮發(fā)分,CO及CO2等氣體,這些氣體經(jīng)床層表面擴(kuò)散進(jìn)入爐膛。同時(shí)一些細(xì)小的未燃盡煤顆粒也被供風(fēng)一同帶入爐膛。此時(shí)爐膛內(nèi)分布著連續(xù)的氣相和離散的顆粒相,在爐膛內(nèi)發(fā)生燃燒及傳熱傳質(zhì)等一系列過(guò)程。爐內(nèi)燃燒的基本控制方程包括:連續(xù)方程、能量方程、動(dòng)量方程和組分運(yùn)輸方程。這些控制方程可以通用的表示為??xi(ρui?)???xi(Γ???xi)=S?(1)??xi(ρui?)-??xi(Γ???xi)=S?(1)飛灰顆粒在湍流流動(dòng)過(guò)程中與壁面發(fā)生碰撞,顆粒有可能會(huì)黏附在壁面上。顆粒在鍋爐壁面的沉積概率由式(2)表示:η=∑i=1Npi(Tps)[1?pi(Tps)]ps(Ts)(2)η=∑i=1Νpi(Τps)[1-pi(Τps)]ps(Τs)(2)式中:pi(Tps)為顆粒對(duì)壁面的黏附概率,Tps為顆粒溫度,ps(Ts)為壁面的黏結(jié)概率,Ts為壁面溫度。通常認(rèn)為對(duì)煤顆粒黏附概率影響最大的因素是顆粒的黏度,顆粒的黏度與顆粒的溫度以及顆粒的氧化物組分有關(guān)。壁面的黏結(jié)概率近似取為ps(Ts)=0Ts<1450K(3)ps(Ts)=1Ts≥1450K(4)ps(Τs)=0Τs<1450Κ(3)ps(Τs)=1Τs≥1450Κ(4)大部分的研究均采用臨界黏度來(lái)考察顆粒黏度對(duì)顆粒黏附概率的影響,表達(dá)式為pi(Tps)=μrefμμ>μref(5)pi(Tps)=1μ≤μref(6)pi(Τps)=μrefμμ>μref(5)pi(Τps)=1μ≤μref(6)式中:μref為臨界顆粒黏度,μ為顆粒黏度。如果顆粒黏度大于臨界顆粒黏度,那么顆粒的黏附概率等于臨界顆粒黏度與顆粒黏度的比值;如果顆粒黏度小于或等于臨界顆粒黏度,那么顆粒的黏附概率等于1。通常對(duì)整個(gè)結(jié)渣過(guò)程采用同樣的臨界顆粒黏度,并將其大小選為105Pa·s。1.3udf邊界條件本文根據(jù)鏈條爐的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),建立長(zhǎng)7.246m、高4.004m的二維模型。爐膛網(wǎng)格采用分區(qū)域劃分的方法來(lái)完成,整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格總數(shù)為63714個(gè)。各方程均采用二階迎風(fēng)格式離散,并利用SIMPLE算法來(lái)求解。爐膛入口處給出氣相溫度、速度以及組分分布邊界條件,這些邊界條件通過(guò)FLUENT提供的UDF接口嵌入。爐膛入口處,根據(jù)爐膛入口氣相速度分布,將顆粒分不同區(qū)段來(lái)設(shè)置顆粒質(zhì)量流量等入射參數(shù)。返料口處的飛灰顆粒在入口截面上均勻分布進(jìn)入爐膛。通過(guò)在離散相模型定義中設(shè)置離散相與連續(xù)相間的耦合,實(shí)現(xiàn)顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與氣相間的傳熱傳質(zhì)。爐膛水冷壁面視為恒溫580K;爐拱壁面視為絕熱,黑度均設(shè)定為0.8。根據(jù)顆粒黏附模型,編寫(xiě)UDF來(lái)自定義壁面邊界條件,使顆粒在壁面的沉積規(guī)律符合模型。根據(jù)鍋爐實(shí)際運(yùn)行參數(shù),設(shè)定爐膛出口壓力為-20Pa。2飛灰入射的影響本文模擬了SZL15-1.25-AⅡ型雙筒鏈條蒸汽鍋爐,采用飛灰復(fù)燃前后顆粒在壁面的沉積狀況,同時(shí)針對(duì)不同飛灰入射質(zhì)量流量和入射角對(duì)壁面沉積速率的影響加以分析。2.1飛灰復(fù)燃溫度場(chǎng)當(dāng)細(xì)顆粒飛灰及空氣由爐膛喉部送入爐內(nèi)時(shí),爐膛內(nèi)狀況與原始狀況發(fā)生變化,影響到鍋爐內(nèi)的燃燒狀況。返料口處飛灰顆粒入射質(zhì)量流量為0.04464kg/s,由水平方向噴射進(jìn)入爐膛,均勻返爐復(fù)燃。鍋爐原始狀況溫度場(chǎng)與飛灰復(fù)燃溫度場(chǎng)分別如圖2、3所示。對(duì)比兩種狀況下溫度場(chǎng),可見(jiàn)采用飛灰復(fù)燃技術(shù)后,爐膛內(nèi)部高溫度區(qū)域范圍增大,同時(shí)高溫帶向前墻與頂墻方向移動(dòng),后墻溫度降低,爐膛出口溫度被提高。由于爐內(nèi)溫度場(chǎng)變化相應(yīng)的引起壁面顆粒沉積狀況也發(fā)生變化,圖4～8分別給出采用飛灰復(fù)燃前后鍋爐頂墻、前墻、后墻、前拱以及后拱顆粒沉積速率的對(duì)比。2.1.1單峰分布及最大風(fēng)場(chǎng)采用飛灰復(fù)燃前后兩種工況下,頂墻顆粒的沉積速率分布如圖4所示。未采用飛灰復(fù)燃時(shí),顆粒在頂墻中部沉積速率最大,基本呈單峰分布。采用飛灰復(fù)燃后,沿整個(gè)頂墻顆粒的沉積速率基本都大于未采用飛灰復(fù)燃時(shí)的狀況,頂墻前半部顆粒的沉積速率變化很小,但頂墻后半部,顆粒的沉積速率明顯大于未采用飛灰復(fù)燃時(shí)的狀況,速率差值最大達(dá)到0.00005kg/s左右,仍然出現(xiàn)在原來(lái)峰值的位置,表明飛灰復(fù)燃對(duì)頂墻后半部顆粒沉積速率影響較大。2.1.2未燃?jí)︻w粒沉積速率顆粒在前墻的沉積狀況如圖5所示,兩種工況下顆粒在前墻下半部的沉積速率均要高于上半部分,在高度約為2.4m處顆粒的沉積速率達(dá)到峰值。未采用飛灰復(fù)燃的狀況下,前墻的顆粒沉積較為均勻,最大顆粒沉積速率約為0.0008kg/s。采用飛灰復(fù)燃后,顆粒在前墻的沉積速率明顯增大,在2.4m處達(dá)到最大值為0.0014kg/s,說(shuō)明飛灰復(fù)燃對(duì)前墻影響非常明顯。2.1.3顆粒沉積速率顆粒在后墻的沉積速率分布如圖6所示,采用飛灰復(fù)燃前后,除了后墻頂部,鍋爐原始狀況下顆粒的沉積速率明顯高于飛灰復(fù)燃時(shí)的顆粒沉積速率外,其余部分沉積速率的差別均很小;另外,兩種工況下的沉積速率均在后墻頂部位置較高,其余下部顆粒沉積速率均較小,表明飛灰復(fù)燃對(duì)后墻的影響不大。2.1.4拱與前拱的沉積速率鍋爐前拱和后拱的顆粒沉積速率分布分別如圖7、8所示。在前拱與后拱的前部分,顆粒沉積速率偏低并均小于各拱后部的沉積速率;對(duì)比采用飛灰復(fù)燃前后的狀況,顆粒沉積速率曲線(xiàn)幾乎是相重合的,可見(jiàn)飛灰復(fù)燃對(duì)鍋爐前后拱顆粒沉積狀況的影響很小。2.2正常工況下飛灰入射質(zhì)量流量將飛灰入射質(zhì)量流量分為四種工況加以模擬分析:第一種工況為無(wú)飛灰入射,即為鍋爐原始狀況;第二種工況為正常工況,此時(shí)飛灰入射質(zhì)量流量為0.04464kg/s;第三種工況的質(zhì)量流量比第二種工況提高30%;第四種工況質(zhì)量流量比第二種工況降低30%。四種工況下飛灰皆以水平方向入射爐膛。不同飛灰入射質(zhì)量流量對(duì)顆粒沉積速率的影響如圖9～11所示。2.2.1飛灰入射質(zhì)量流量的影響由圖9和10可見(jiàn),相比于第一和第二種工況,增加飛灰入射質(zhì)量流量使頂墻和前墻的顆粒沉積速率提高,而減少飛灰入射質(zhì)量流量則可以降低頂墻和前墻的顆粒沉積速率。故在工況允許的情況下,適當(dāng)降低飛灰入射質(zhì)量流量,將相對(duì)降低顆粒在前墻與頂墻的沉積速率,從而減輕壁面結(jié)渣帶來(lái)的傳熱弱化。對(duì)比可見(jiàn)飛灰入射質(zhì)量流量的變化對(duì)前墻顆粒沉積速率的影響要更為明顯。四種工況下的前墻下部顆粒沉積速率變化較大;而飛灰入射質(zhì)量流量的變化對(duì)頂墻的影響相對(duì)較小,四種工況下的顆粒沉積速率曲線(xiàn)較為密集,變化不大。2.2.2原始工況下的沉積速率由圖11可見(jiàn),飛灰入射質(zhì)量流量變化對(duì)后墻顆粒沉積速率的影響很小,幾乎可以忽略。并且鍋爐在原始工況下后墻顆粒的沉積速率相比其他三種工況較高。主要是由于同飛灰一同進(jìn)入爐膛的空氣形成了一條阻隔帶,使得大部分飛灰顆粒與后墻之間被分隔開(kāi)來(lái),使顆粒無(wú)法貼近后墻,故出現(xiàn)圖11所示的情形。這在一定程度上減少了由壁面結(jié)渣產(chǎn)生的傳熱熱阻,有利于水冷壁與爐膛間的傳熱順利進(jìn)行。2.3飛灰入射角度的確定飛灰入射角度對(duì)爐內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)會(huì)帶來(lái)一定的影響,進(jìn)而會(huì)影響到顆粒在壁面的沉積情況。對(duì)于飛灰入射角度的討論,本文分四種工況加以模擬分析:第一種工況,無(wú)飛灰入射,為鍋爐原始狀況;第二種工況,飛灰以水平方向入射;第三種工況,飛灰以水平偏上30°角入射;第四種工況飛灰以水平偏下30°角入射。飛灰入射的其他參數(shù)均保持相同。模擬結(jié)果如圖12～16所示。2.3.1半部分顆粒沉積速率飛灰水平方向入射時(shí),鍋爐前墻的顆粒沉積速率被提高(見(jiàn)圖12),前墻下半部分顆粒的沉積速率大大高于其他三種工況,最大差值可達(dá)到0.0007kg/s。主要由于飛灰水平入射時(shí),飛灰顆粒較好地融入了爐內(nèi)原始顆粒速度場(chǎng),大部分飛灰顆粒被帶到前墻位置,進(jìn)而增大了前墻顆粒的沉積速率。2.3.2前后墻對(duì)比結(jié)果飛灰以水平偏上30°入射時(shí),對(duì)頂墻顆粒沉積速率的影響較大(見(jiàn)圖13),顆粒在頂墻沉積速率要明顯高于其它工況,最大差值可達(dá)0.0002kg/s。而對(duì)前后墻與前后拱的影響很小,幾乎與無(wú)飛灰入射時(shí)情況一致。原因在于:飛灰以水平偏上30°角入射時(shí),飛灰顆粒脫離了爐內(nèi)原始顆粒速度場(chǎng),并沒(méi)有向前墻方向流動(dòng)而是轉(zhuǎn)向頂墻方向,故此時(shí)對(duì)頂墻顆粒沉積速率的影響較為明顯。2.3.3飛灰為水平偏下的沉積相飛灰入射角度為水平偏下30°時(shí),受到影響較大的是鍋爐的前拱(見(jiàn)圖14),顆粒在前拱的沉積速率相比其他工況高,沉積速率最大差值將近0.02kg/s。而此時(shí)對(duì)其他壁面顆粒沉積情況的影響很小。主要原因在于:飛灰以水平偏下30°角入射時(shí),飛灰顆粒向爐膛底部方向運(yùn)動(dòng),同時(shí)由于與爐內(nèi)原始速度場(chǎng)產(chǎn)生一定程度的對(duì)沖作用,最后飛灰顆粒被帶到前拱位置,故增大了前拱顆粒的沉積速率,而減小了對(duì)其他壁面的影響。圖15與16所示鍋爐后墻與后拱幾乎沒(méi)有受到飛灰入射角度變化的影響,四種工況下后墻和后拱處顆粒沉積速率基本上保持一致。3飛灰入射質(zhì)量流量對(duì)后墻顆粒沉積的影響本文針對(duì)鏈條爐采用飛灰復(fù)燃前后壁面顆粒沉積速率進(jìn)行數(shù)值模擬,同時(shí)模擬不同飛灰入射質(zhì)量流量和不同入射角時(shí)壁面的顆粒沉積速率,并對(duì)產(chǎn)生的影響加以分析。1)應(yīng)用飛灰復(fù)燃后的顆粒沉積速率普遍高于鍋爐原始狀況下的顆粒沉積速率,鍋爐的頂墻、前墻以及后墻受到復(fù)燃飛灰影響較大。鍋爐頂墻與前墻處顆粒的沉積速率被提高,其中頂墻中后部顆粒沉積速率較大,前墻的下半部顆粒沉積速率較大,并且前墻受到的影響最為嚴(yán)重。引入飛灰復(fù)燃后,鍋爐后墻顆粒沉積狀況減輕,一定程度上減小了壁面?zhèn)鳠釤嶙?有利于后墻表面?zhèn)鳠?。?duì)于鍋爐的前后拱,由于飛灰顆粒由爐膛喉部水平方向進(jìn)入爐膛,并沒(méi)有對(duì)拱區(qū)產(chǎn)生明顯的影響。2)通過(guò)模擬不同飛灰入射質(zhì)量流量對(duì)壁面顆粒沉積狀況的影響。結(jié)果表明,前墻和頂墻顆粒的沉積速率隨著飛灰質(zhì)量流量的增加而增大,其中前墻的變化較頂墻更為明顯,故前墻更易受到飛灰入射質(zhì)量流量變化的影響。飛灰質(zhì)量流量變化對(duì)后墻顆粒沉積速率影響很小。故在工況允許的情況下,通過(guò)降低飛灰入射質(zhì)量流量,可以相對(duì)的減少顆粒在前墻與頂墻的沉積速率,進(jìn)而減小壁面結(jié)渣產(chǎn)生的傳熱熱阻,有利于水冷壁與爐膛間的表面?zhèn)鳠帷?)飛灰入射角