飞灰复燃技术在锅炉炉内燃烧数值模拟分析

飞灰复燃技术在锅炉炉内燃烧数值模拟分析

2012年4月23日的总结。链条炉排锅炉作为我国在用工业锅炉中的主要组成部分,在生产和生活中都发挥着重要作用。链条炉排下方供入的一次风将床层内的细小的煤颗粒带入炉膛内,煤颗粒在炉膛内没有充分的燃烧便随烟气排出,致使飞灰的含碳量较高,不仅造成锅炉热效率降低,而且锅炉烟囱冒黑烟,环境污染严重。面对这一问题,飞灰回收复燃技术得到了广泛的应用。锅炉采用飞灰复燃技术需增设飞灰复燃装置。飞灰复燃装置大体分为两大部分:一是飞灰收集装置,通过在烟道处设置除尘器,实现飞灰颗粒与烟气的分离,并将飞灰颗粒收集贮存起来;二是返料装置,其利用风机导入二次风将贮存起来的飞灰颗粒带入炉膛,实现飞灰颗粒的复燃。实际工程表明,采用飞灰复燃技术确实可以提高锅炉热效率,减少燃料浪费。但是,大量的飞灰颗粒被返送回炉膛,会对炉内的燃烧状况产生影响,尤其是对颗粒在壁面的沉积速率的影响很大,这一点是不可忽略的。本文依据现有的燃烧理论,选择合适的数学模型,通过FLUENT来模拟采用飞灰复燃技术前后链条炉壁面颗粒沉积状况,对模拟结果进行对比分析,同时针对不同的飞灰入射质量流量和入射角,进一步分析其对颗粒沉积速率的影响,并提出相应的改善建议。1模型的构建1.1锅炉蒸发量、复燃聚酯纤维的计算本文以SZL15-1.25-AⅡ型双筒链条蒸汽锅炉为对象,物理模型如图1所示,其结构尺寸为长7.246m、高4.004m、宽3.000m。该锅炉为层燃式链条炉排锅炉,锅炉额定蒸发量为15t/h,额定蒸汽压力为1.25MPa,额定蒸汽温度466K,锅炉设计热效率77.32%。锅炉每班运行8h,预计每班收集的飞灰量约为1.286t。飞灰返料口设在炉膛喉部后侧,开口直径设置为150mm。复燃飞灰温度为600K,含碳质量分数为30%。燃用煤种分析如表1所示。炉排下一次配风采用推迟配风,其各风室的配风比例如表2所示。1.2煤-水-铁-灰-煤颗粒作用模式本文所采用的数学模型主要包括炉膛燃烧模型和壁面颗粒沉积模型。链条炉床层内的煤经过挥发以及焦炭燃烧等一系列复杂反应后,产生挥发分,CO及CO2等气体,这些气体经床层表面扩散进入炉膛。同时一些细小的未燃尽煤颗粒也被供风一同带入炉膛。此时炉膛内分布着连续的气相和离散的颗粒相,在炉膛内发生燃烧及传热传质等一系列过程。炉内燃烧的基本控制方程包括:连续方程、能量方程、动量方程和组分运输方程。这些控制方程可以通用的表示为∂∂xi(ρuiϕ)−∂∂xi(Γ∂ϕ∂xi)=Sϕ(1)∂∂xi(ρuiϕ)-∂∂xi(Γ∂ϕ∂xi)=Sϕ(1)飞灰颗粒在湍流流动过程中与壁面发生碰撞,颗粒有可能会黏附在壁面上。颗粒在锅炉壁面的沉积概率由式(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)为颗粒对壁面的黏附概率,Tps为颗粒温度,ps(Ts)为壁面的黏结概率,Ts为壁面温度。通常认为对煤颗粒黏附概率影响最大的因素是颗粒的黏度,颗粒的黏度与颗粒的温度以及颗粒的氧化物组分有关。壁面的黏结概率近似取为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临界黏度来考察颗粒黏度对颗粒黏附概率的影响,表达式为pi(Tps)=μrefμμ>μref(5)pi(Tps)=1μ≤μref(6)pi(Τps)=μrefμμ>μref(5)pi(Τps)=1μ≤μref(6)式中:μref为临界颗粒黏度,μ为颗粒黏度。如果颗粒黏度大于临界颗粒黏度,那么颗粒的黏附概率等于临界颗粒黏度与颗粒黏度的比值;如果颗粒黏度小于或等于临界颗粒黏度,那么颗粒的黏附概率等于1。通常对整个结渣过程采用同样的临界颗粒黏度,并将其大小选为105Pa·s。1.3udf边界条件本文根据链条炉的结构数据,建立长7.246m、高4.004m的二维模型。炉膛网格采用分区域划分的方法来完成,整个计算域网格总数为63714个。各方程均采用二阶迎风格式离散,并利用SIMPLE算法来求解。炉膛入口处给出气相温度、速度以及组分分布边界条件,这些边界条件通过FLUENT提供的UDF接口嵌入。炉膛入口处,根据炉膛入口气相速度分布,将颗粒分不同区段来设置颗粒质量流量等入射参数。返料口处的飞灰颗粒在入口截面上均匀分布进入炉膛。通过在离散相模型定义中设置离散相与连续相间的耦合,实现颗粒运动过程中与气相间的传热传质。炉膛水冷壁面视为恒温580K;炉拱壁面视为绝热,黑度均设定为0.8。根据颗粒黏附模型,编写UDF来自定义壁面边界条件,使颗粒在壁面的沉积规律符合模型。根据锅炉实际运行参数,设定炉膛出口压力为-20Pa。2飞灰入射的影响本文模拟了SZL15-1.25-AⅡ型双筒链条蒸汽锅炉,采用飞灰复燃前后颗粒在壁面的沉积状况,同时针对不同飞灰入射质量流量和入射角对壁面沉积速率的影响加以分析。2.1飞灰复燃温度场当细颗粒飞灰及空气由炉膛喉部送入炉内时,炉膛内状况与原始状况发生变化,影响到锅炉内的燃烧状况。返料口处飞灰颗粒入射质量流量为0.04464kg/s,由水平方向喷射进入炉膛,均匀返炉复燃。锅炉原始状况温度场与飞灰复燃温度场分别如图2、3所示。对比两种状况下温度场,可见采用飞灰复燃技术后,炉膛内部高温度区域范围增大,同时高温带向前墙与顶墙方向移动,后墙温度降低,炉膛出口温度被提高。由于炉内温度场变化相应的引起壁面颗粒沉积状况也发生变化,图4～8分别给出采用飞灰复燃前后锅炉顶墙、前墙、后墙、前拱以及后拱颗粒沉积速率的对比。2.1.1单峰分布及最大风场采用飞灰复燃前后两种工况下,顶墙颗粒的沉积速率分布如图4所示。未采用飞灰复燃时,颗粒在顶墙中部沉积速率最大,基本呈单峰分布。采用飞灰复燃后,沿整个顶墙颗粒的沉积速率基本都大于未采用飞灰复燃时的状况,顶墙前半部颗粒的沉积速率变化很小,但顶墙后半部,颗粒的沉积速率明显大于未采用飞灰复燃时的状况,速率差值最大达到0.00005kg/s左右,仍然出现在原来峰值的位置,表明飞灰复燃对顶墙后半部颗粒沉积速率影响较大。2.1.2未燃墙颗粒沉积速率颗粒在前墙的沉积状况如图5所示,两种工况下颗粒在前墙下半部的沉积速率均要高于上半部分,在高度约为2.4m处颗粒的沉积速率达到峰值。未采用飞灰复燃的状况下,前墙的颗粒沉积较为均匀,最大颗粒沉积速率约为0.0008kg/s。采用飞灰复燃后,颗粒在前墙的沉积速率明显增大,在2.4m处达到最大值为0.0014kg/s,说明飞灰复燃对前墙影响非常明显。2.1.3颗粒沉积速率颗粒在后墙的沉积速率分布如图6所示,采用飞灰复燃前后,除了后墙顶部,锅炉原始状况下颗粒的沉积速率明显高于飞灰复燃时的颗粒沉积速率外,其余部分沉积速率的差别均很小;另外,两种工况下的沉积速率均在后墙顶部位置较高,其余下部颗粒沉积速率均较小,表明飞灰复燃对后墙的影响不大。2.1.4拱与前拱的沉积速率锅炉前拱和后拱的颗粒沉积速率分布分别如图7、8所示。在前拱与后拱的前部分,颗粒沉积速率偏低并均小于各拱后部的沉积速率;对比采用飞灰复燃前后的状况,颗粒沉积速率曲线几乎是相重合的,可见飞灰复燃对锅炉前后拱颗粒沉积状况的影响很小。2.2正常工况下飞灰入射质量流量将飞灰入射质量流量分为四种工况加以模拟分析:第一种工况为无飞灰入射,即为锅炉原始状况;第二种工况为正常工况,此时飞灰入射质量流量为0.04464kg/s;第三种工况的质量流量比第二种工况提高30%;第四种工况质量流量比第二种工况降低30%。四种工况下飞灰皆以水平方向入射炉膛。不同飞灰入射质量流量对颗粒沉积速率的影响如图9～11所示。2.2.1飞灰入射质量流量的影响由图9和10可见,相比于第一和第二种工况,增加飞灰入射质量流量使顶墙和前墙的颗粒沉积速率提高,而减少飞灰入射质量流量则可以降低顶墙和前墙的颗粒沉积速率。故在工况允许的情况下,适当降低飞灰入射质量流量,将相对降低颗粒在前墙与顶墙的沉积速率,从而减轻壁面结渣带来的传热弱化。对比可见飞灰入射质量流量的变化对前墙颗粒沉积速率的影响要更为明显。四种工况下的前墙下部颗粒沉积速率变化较大;而飞灰入射质量流量的变化对顶墙的影响相对较小,四种工况下的颗粒沉积速率曲线较为密集,变化不大。2.2.2原始工况下的沉积速率由图11可见,飞灰入射质量流量变化对后墙颗粒沉积速率的影响很小,几乎可以忽略。并且锅炉在原始工况下后墙颗粒的沉积速率相比其他三种工况较高。主要是由于同飞灰一同进入炉膛的空气形成了一条阻隔带,使得大部分飞灰颗粒与后墙之间被分隔开来,使颗粒无法贴近后墙,故出现图11所示的情形。这在一定程度上减少了由壁面结渣产生的传热热阻,有利于水冷壁与炉膛间的传热顺利进行。2.3飞灰入射角度的确定飞灰入射角度对炉内颗粒的运动会带来一定的影响,进而会影响到颗粒在壁面的沉积情况。对于飞灰入射角度的讨论,本文分四种工况加以模拟分析:第一种工况,无飞灰入射,为锅炉原始状况;第二种工况,飞灰以水平方向入射;第三种工况,飞灰以水平偏上30°角入射;第四种工况飞灰以水平偏下30°角入射。飞灰入射的其他参数均保持相同。模拟结果如图12～16所示。2.3.1半部分颗粒沉积速率飞灰水平方向入射时,锅炉前墙的颗粒沉积速率被提高(见图12),前墙下半部分颗粒的沉积速率大大高于其他三种工况,最大差值可达到0.0007kg/s。主要由于飞灰水平入射时,飞灰颗粒较好地融入了炉内原始颗粒速度场,大部分飞灰颗粒被带到前墙位置,进而增大了前墙颗粒的沉积速率。2.3.2前后墙对比结果飞灰以水平偏上30°入射时,对顶墙颗粒沉积速率的影响较大(见图13),颗粒在顶墙沉积速率要明显高于其它工况,最大差值可达0.0002kg/s。而对前后墙与前后拱的影响很小,几乎与无飞灰入射时情况一致。原因在于:飞灰以水平偏上30°角入射时,飞灰颗粒脱离了炉内原始颗粒速度场,并没有向前墙方向流动而是转向顶墙方向,故此时对顶墙颗粒沉积速率的影响较为明显。2.3.3飞灰为水平偏下的沉积相飞灰入射角度为水平偏下30°时,受到影响较大的是锅炉的前拱(见图14),颗粒在前拱的沉积速率相比其他工况高,沉积速率最大差值将近0.02kg/s。而此时对其他壁面颗粒沉积情况的影响很小。主要原因在于:飞灰以水平偏下30°角入射时,飞灰颗粒向炉膛底部方向运动,同时由于与炉内原始速度场产生一定程度的对冲作用,最后飞灰颗粒被带到前拱位置,故增大了前拱颗粒的沉积速率,而减小了对其他壁面的影响。图15与16所示锅炉后墙与后拱几乎没有受到飞灰入射角度变化的影响,四种工况下后墙和后拱处颗粒沉积速率基本上保持一致。3飞灰入射质量流量对后墙颗粒沉积的影响本文针对链条炉采用飞灰复燃前后壁面颗粒沉积速率进行数值模拟,同时模拟不同飞灰入射质量流量和不同入射角时壁面的颗粒沉积速率,并对产生的影响加以分析。1)应用飞灰复燃后的颗粒沉积速率普遍高于锅炉原始状况下的颗粒沉积速率,锅炉的顶墙、前墙以及后墙受到复燃飞灰影响较大。锅炉顶墙与前墙处颗粒的沉积速率被提高,其中顶墙中后部颗粒沉积速率较大,前墙的下半部颗粒沉积速率较大,并且前墙受到的影响最为严重。引入飞灰复燃后,锅炉后墙颗粒沉积状况减轻,一定程度上减小了壁面传热热阻,有利于后墙表面传热。对于锅炉的前后拱,由于飞灰颗粒由炉膛喉部水平方向进入炉膛,并没有对拱区产生明显的影响。2)通过模拟不同飞灰入射质量流量对壁面颗粒沉积状况的影响。结果表明,前墙和顶墙颗粒的沉积速率随着飞灰质量流量的增加而增大,其中前墙的变化较顶墙更为明显,故前墙更易受到飞灰入射质量流量变化的影响。飞灰质量流量变化对后墙颗粒沉积速率影响很小。故在工况允许的情况下,通过降低飞灰入射质量流量,可以相对的减少颗粒在前墙与顶墙的沉积速率,进而减小壁面结渣产生的传热热阻,有利于水冷壁与炉膛间的表面传热。3)飞灰入射角