锅炉结渣过程的数值模拟

锅炉结渣过程的数值模拟

0建立结渣模型的研究锅炉残渣是一项复杂的物理和化学过程，对锅炉的运营效率和运营安全有重要影响。至今,没有完全成熟的理论能够解释锅炉的结渣过程,但是经过国内外学者的不断研究,已经大体上把结渣的形成分成了三个阶段,建立了初步的结渣理论。在此结渣理论的基础之上,采用数值模拟的方法,通过建立结渣模型,对结渣过程进行数值模拟,可以很好的预测结渣发生的位置、结渣量、结渣量随时间的变化、结渣对换热的影响等。进而,提出有效的措施避免或减轻结渣。1煤质特性分析结渣过程受多种因素影响,和煤质特性、炉膛结构、燃烧器布置、炉内空气动力场、温度水平和热负荷以及运行工况等都密切相关,其中煤质特性即煤灰中的矿物组分在炉膛环境下发生复杂的物理化学变化是决定锅炉结渣特性的主要因素。煤灰是由各种矿物质在高温作用下组成的混合物,其变化过程较复杂。除各矿物组分熔融外,各组分之间还会发生反应生成新的矿物,并且各矿物之间也会发生共熔现象,结渣特性在很大程度上取决于煤中矿物质在炉内高温热力环境中的行为。通常,结渣的形成包括以下三个过程。1.1硫酸钠的性质炉管上灰沉积物迅速聚结的基本条件是存在一个粘性表面,粘性表面一般由硫酸钠、硫酸钙或钠、钙与硫酸盐的共晶体等基本物质组成。粘性沉积物处于熔融或半熔融态,对金属或耐火材料具有润湿作用,并且灰成分一般也能相互润湿,这样由于粘附作用而形成初始沉积层。1.2捕收剂表面的确定随着初始沉积层的加厚,烟温升高,沉积速率加快,沉积物与沉积物之间以及沉积物与受热面之间粘接强度增加,沉积层表面温度升高,直至沉积到沉积层的熔融或半熔融颗粒基本不再发生凝固而形成粘性流体层,即捕捉表面。1.3固体颗粒的流动捕捉表面形成后,无论灰粒的粘度、速度及碰撞角度如何,只要接触到沉积层的颗粒一般均会被捕捉,使沉积层快速增加,被捕捉的固体颗粒溶解在沉积面上,使熔点或粘度升高,从而发生凝固而又形成新的捕捉表面,直到沉积表面温度达到重力作用下的极限粘度值时的温度,使沉积层的形成不再加厚而使撞击上的灰粒沿管壁表面向下流动。结渣速度取决于一次沉积层的形成过程,各沉积层的形成均以惯性沉积为主,是否结渣以及结渣的程度与煤种、炉温、空气动力场等有关。2渣模型对2.1结渣过程模拟结渣模型一般包括以下一些过程的模拟,这些过程的模拟是结渣模型的基础。这些模拟包括:(1)飞灰形成模拟;(2)飞灰输送模拟;(3)飞灰与壁面的碰撞和粘附模拟;(4)渣层生长模拟;(5)渣层特性和强度模拟;(6)通过渣层的传热模拟;(7)渣层对运行条件影响的模拟;(8)结渣对流动影响的模拟。各结渣模型的不同主要区别在于对上述各过程的模拟不同。其中飞灰的输送模拟和颗粒与壁面的粘附模拟是结渣模拟中的重点。2.2飞灰输送模型飞灰颗粒主要是沿着气流的主流方向流动,导致颗粒与壁面碰撞的主要因素是气相湍流引起的气相速度波动对颗粒的作用,使颗粒脱离主流方向,通过边界层到达壁面发生碰撞。因此,引入了随机轨道模型(SSF)来模拟飞灰输送,SSF模型的核心是气相速度波动对颗粒轨道的影响通过颗粒——漩涡的随机相互作用表示,假定速度脉动是等方性的,通过对高斯提出的含有标准的偏差方程(2k/3)0.5的PDF进行取样,计算速度脉动,通过求解颗粒相瞬态动量方程,精确模拟颗粒在漩涡中的运动,在模拟颗粒-漩涡的相互作用时,假设速度波动保持不变。由于该模型考虑了气相与颗粒相之间的滑移以及湍流脉动对颗粒轨迹的影响,用它计算得到的颗粒相平均速度、脉动速度与实验值符合的较好。但是,由于SSF模型需要计算大量的颗粒轨道才能准确的计算颗粒碰撞,所以它耗时巨大。因此,对于复杂的问题,可以采用统计颗粒云模型,提高计算效率。2.3碳灰粉连接模型2.3.1聚合物的结构煤中的矿物质以粘土矿物如高岭土、伊利石等硅酸盐和铝硅酸盐为主。因此,煤灰熔体主要成分也应为硅酸盐/铝硅酸盐。硅酸盐/铝硅酸盐的粘度主要由两个因素决定:温度和化学组成。(1)温度因素Urbainandco-workers已经发现温度对于硅酸盐和铝硅酸盐的粘度的决定作用非常重要,温度和粘度的关系可以用下式表示log(η/T)=A+103BT(1)log(η/Τ)=A+103BΤ(1)式中T—颗粒温度,K;η—颗粒在温度T下达到平衡态的粘度;A、B—常数,由颗粒的化学组成决定。(2)化学组成因素当前流行、比较公认的硅酸盐熔体结构模式是由众多学者发展的聚合作用模式。实验证明:硅酸盐熔体同其晶体一样,其基本结构单元为Si-O四面体。Si-O四面体通过桥氧联结成各种形状、大小、复杂程度不同的阴离子结构团,这种聚合阴离子团构成了硅酸盐熔体的基本结构单位。从局部看,熔体结构类似于晶体结构,但总体上熔体中原子不成空间连续规则排列。原子没有固定晶格位置,阴离子团的位置随原子的热运动而不断改变。但是在一定温度、压力、组成下,熔体的平衡结构是一固定可重现函数。在硅酸盐熔体中,氧有三种结构状态:(1)桥氧:是指联结两个Si-O四面体的氧,与两个Si4+或取代Si4+的四次配位阳离子(Ti4+,A13+,Fe3+等)相联,表示为Si-O-Si,或O0。(2)非桥氧:是联结一个硅和一个非四次配位阳离子的氧,表示为Si-O-Me+或O-。(3)自由氧:表示为Me+-O-Me+,或O2-。它们的含量比及分布是熔体聚合程度的标志。在研究铝硅酸盐结构中,每个四面体中的非桥氧数,即NBO/T是衡量熔体聚合程度的重要尺度,NBO/T定义为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。如单四面体(岛状)硅酸盐,NBO/T=4;链状结构,NBO/T=2;席状结构,NBO/T=1;三维网络结构,NBO/T=0。利用多重衰退分析和试验观测可以得出公式(1)中参数B,由参数B和NBO/T可以计算出公式(1)中参数A,最后把参数A和B代入公式(1)计算出飞灰颗粒的粘度。2.3.2飞灰颗粒-临界粘度模型决定碰撞颗粒粘附的因素包括:颗粒和壁面温度、入射速度和角度、组分和粘度等,其中,颗粒的粘度是最重要的因素。目前,所有的研究都采用临界粘度(μref)的概念作为计算颗粒粘附概率的准则。当飞灰颗粒的粘度低于临界粘度,认为飞灰颗粒能够粘附在壁面上的概率为1,当高于临界粘度,认为粘附概率为临界粘度与颗粒实际粘度之比,具体模型为pi(Tps)=μrefμpi(Τps)=μrefμ(μ>μref)(3)pi(Tps)=1(μ<μref)(4)式中,pi为具有平均粘度μ的颗粒群i粘附于壁面的概率,Tps为颗粒群i的温度。该方法最大的优点是模型简单,易于工程计算。但该模型未考虑气流入射速度和入射角度对结渣率的影响,并且也未给出颗粒粘附数目的绝对数目。目前,所有研究都采用这一模型来计算颗粒粘附率,所得结果与实验符合很好。2.4渣生长模型结渣生长模型是描述结渣从开始到稳定的动态过程,主要包括结渣层厚度的增长、结渣量随时间的变化、渣层物性的变化和通过渣层的传热。2.4.1影响渣层过程的因素实际的结渣过程必然引起渣层物性的变化,很多研究通过选取尽可能符合实际物理化学反应的物性参数函数来模拟实际的复杂过程。物性参数主要包括:渣层的导热系数、多孔率、吸收率、发射率等。其中,影响结渣生成、结渣特性和传热显著的参数必须要考虑,灰渣的多孔率和导热系数是最重要的两个参数。多孔率的求解有3种方法:(1)人为地将渣层化分为三层,每一层内的多孔率的值不同但保持常数,不随结渣的生成而改变;(2)认为多孔率与渣层达到平衡时的固相体积分数和液相体积分数有关;(3)基于渣层之间发生烧结反应来计算多孔率。导热系数也是影响渣层生长的重要物性参数。对应多孔率的三种求法,导热系数也有三种求法,可以参考与之相应的求解多孔率的文献。2.4.2飞灰的球磨破由于结渣的不断生长,渣层热阻逐渐增大,传热恶化,导致渣层表面温度急剧升高。同时,碰撞到已经结渣壁面的飞灰颗粒度的粘度逐渐降低,当碰撞到壁面的飞灰颗粒的粘度小于一定值时,飞灰颗粒碰撞到壁面上被已形成的渣层捕获而不结渣,这主要是由于渣层的粘附力不足以承受飞灰颗粒的重力导致的。此时,结渣过程停止,碰撞到壁面的飞灰颗粒在自身重力作用下沿重力方向流动。3兄弟情谊模拟示例3.1炉硫管排设计及计算模型以某厂某台余热锅炉为例,该锅炉用于回收燃煤产生的高温烟气余热。余热锅炉为水管式,高温烟气走管外,水和蒸汽走管内。炉膛横截面的宽度为2.3m,高度为2.5m,长度为7m。选定换热管的规格是,外径51mm,壁厚3mm,采用错排方式。这种方案的中心思想是在炉膛的前部设横向管节距170mm,纵向125mm的管排,作为凝渣管排,防止结渣搭桥,中间留有三条检修通道,便于工人进入炉内清灰。其余管排横向管节距100mm,纵向125mm,增大传热面积,加强换热,减小余热锅炉体积。换热管布置方式如图1所示。炉膛整体结构如图2所示。该余热锅炉入口高温烟气温度1200K,用于产生1.0MPa蒸汽,烟气中的气相物质简化成空气;烟气中含有颗粒相,即飞灰颗粒(以下简称粒子),粒子粘度的氧化物组成如表1所示。炉膛和结渣层的特性参数如表2所示。取炉膛结构的二维截面作为数值模拟的模型。入口条件为速度入口,出口条件为压力出口,将换热管划分为5个区域(分别为HR1、HR2、HR3、HR4、HR5),通过UDF编程建立结渣模型,在这5个区域同时模拟结渣和结渣对换热的影响,进而分别得出不同换热区域的结渣情况。模型如图3所示。3.2模拟结果(1)股粒子流中粒子的运动轨迹经过4785个时间阶的模拟之后,余热锅炉结渣过程稳定。绝大部分的粒子都在炉膛内被受热面捕获,其中一部分粘附在受热表面上形成渣层,另一部分被受热表面捕获并沿受热表面流动,总之,这些粒子都没能够通过余热锅炉出口。只有一少部分粒子通过了出口界面排向了大气。图4和图5分别显示了id=15和id=0两股粒子流中包含的粒子的运动轨迹,图6显示了余热锅炉所有粒子的运动轨迹。图4为id=15的一股粒子流的轨迹,从图中可以看出,当余热锅炉结渣稳定后,此股粒子流包含的全部粒子都结渣在换热管上,没有粒子流出余热锅炉。图5为id=0的一股粒子流轨迹,该股粒子流一共包含10个粒子。从图中可以看出,当余热锅炉结渣稳定后,此股粒子流全部粒子轨迹中的4条粒子轨迹因结渣中断在换热管上,其余6条粒子轨迹通过了余热锅炉的出口界面。也就是说,该股粒子流中的40%粒子在换热管发生结渣,其余60%粒子流出余热锅炉。从图6中可以看出,被跟踪粒子轨道数为840,经过4785个时间阶的模拟,余热锅炉结渣过程达到稳定状态,最终有739个粒子轨道因粒子结渣而没有到达余热锅炉出口截面,101个粒子轨道通过余热锅炉出口界面,结渣率为88%。(2)结渣量对换热管热阻的影响以换热区域1(HR1)为例,其他换热区域换热管外表面温度变化的总体趋势和换热区域1类似,但是具体的时间节点和稳定后换热管外表面温度有所不同。换热区域1(HR1)换热管外表面温度变化如图7所示。从图中可以看出,在高温烟气开始进入余热锅炉的阶段,换热区域1(HR1)换热管外表面温度发生了几次波动,这是由于模拟是以不发生结渣条件下换热稳定时的情况为初始条件。当经过了约550个时间阶的模拟之后,换热管外表面温度开始持续增长,这是由于结渣量的不断增加,渣层热阻逐渐增大造成的。当模拟到4500个时间阶的时候,换热管外表面的温度几乎不再增长,此时换热管外表面的温度大约为1175K,这是由结渣停止生长模型决定的,此时,撞击在换热管上的粒子被换热管上已形成的渣层捕获,但粒子粘度足够小,不能粘附在已形成的渣层上,而是在自身重力的作用下沿着换热管流动到换热管底端。(3)结渣情况对换热管结构的影响从图8中可以看出,经过4785个时间阶后,余热锅炉结渣过程达到稳定状态,不同换热区域换热管外径(包含渣层厚度)都有不同程度的增长。其中,换热区域4(HR4)换热管外径增长最大,达到28.83mm,增长了3.33mm;换热区域5(HR5)换热管外径增长最小,增长到26.14mm,增长了0.64mm。换热区域1、2、3(HR1、HR2、HR3)分别增长了2.57mm、2.56mm和1.32mm。结渣最严重的区域,换热区域4(HR4),没有结渣时换热管中心间距最小值为100mm,换热管外壁之间最小距离为49mm,结渣后换热管外壁之间最小距离为42.34mm,和没有结渣的情况相比,换热管外壁之间最小距离减少了6.66mm,减少了13.6%。结渣最不严重的区域,换热区域5(HR5),没有结渣时,换热管的空间结构和换热区域4(HR4)一样,结渣后换热管外壁之间最小距离为47.72mm,和没有结渣的情况相比,换热管外壁之间最小距离减少了1.28mm,减少了2.6%。可以看出,在换热区域5(HR5)结渣程度非常轻,可以考虑使用翅片管代替光管强化换热,同时也缩小了余热锅炉的体积。(4)结渣形成的热量图9和图10分别显示了未发生结渣和结渣稳定后,炉膛内温度的分布水平。从两幅图的比较中可以看出,未发生结渣时,余热锅炉入口烟气温度1200K,烟气流速10m/s,代入热量为23349280J/s,经过换热后,产生1.0MPa蒸汽,有效利用热量为13119785J/s,占全部热量的5