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层燃锅炉半焦再燃的数值模拟 摘要 国内层燃锅炉的使用现状是热效率普遍偏低，耗煤量大，半焦作为层燃锅炉产物之 一具有很高的燃用价值，可将其送入炉膛进行再燃，作为层燃锅炉节煤降耗的新途径。 论文在对层燃锅炉炉排的模拟结果和工程数据整理的基础上，提出将风速、风量参 数分别作为独立可控变量的炉排描述方式，编写相应的自定义函数，并将该模拟结果与 已有模拟结果、工程数据反复对比，验证结果表明该模拟方式可以达到较高的准确性， 其结果可以对工程运行提供有效参考。 论文以f l u e n t 为模拟平台，结合自编程序，以s z l 2 0 1 5 7 a l l ，型层燃锅炉为例， 研究半焦再燃方案的可行性以及保证一次燃烧稳定性的再燃条件。结果表明：当送料粒 度为l m m - 4 m m 之间，送料流量在2 k g s 以下时，可实现基本不影响炉膛原燃烧工况的 再燃，具有良好的节能降耗效果。本文以不影响原燃烧稳定性i 拇前提上，对影响半焦再 燃效率的主风量点位置、主风速点位置和过量空气系数进行了研究讨论，探寻其对再燃 燃尽率的影响规律，结果表明：当主风量点在距离炉门2 9 m - - - 4 0 m 这一炉排段时，再燃 送料效率最高；当炉膛空气过量系数q 在1 5 1 6 之间时，再燃效率最大，可达6 8 3 ； 当主风速点在5 1 m 以后的炉排段时，炉膛主流区可形成范围大、换热效率高的气相旋 流，可有效提升燃尽率，最高可达7 7 6 ：本文还对前送和后送式炉膛进行比较分析， 结果表明前送具有效率高、燃烧稳定性好的突出优点，在选择前后拱再燃时优先选择前 送式炉膛。 关键词：层燃锅炉；半焦：再燃；数值模拟 a b s t r a c t d o m e s t i co p 刚i o no ft h eg r a t e - f i r e df u r n a c ei s g e n e r a l l yl o wt h e r m a le f f i c i e n c y ，h i g h c o a lc o n s u l n p t l o n ，a so n ep r o d u c to ft h e l a y e rc o m b u s t i o nb o i l e r , s e m i c o k ei so fa 王1 i g l l b u m i n gv a l u e ，i tc a nb eu s e dt or e b u m b ys e n di n t ot h ef u m a c e ，t h i sc a i lb ean e w m e t t l o do f e n e r g yc o n s u m p t i o nr e d u c i n gd u r i n gt h ef u r n a c eo p e r a t i o n o nt h eb a s i so fr e d u c t i o no f e x i s t i n gl a y e rc o m b u s t i o nb o i l e r ，ss i m u l a t i o nr e s u l t sa n d p r o j e c td a t a ，t h et h e s i sp u tf o r w a r dan e wm e t h o dt od e s c r i b ef i r eg r a t e c o m b u s t i o n ，t l l a tt r e a t t h e 珊n ds p e e da n da i rv o l u m e p a r a m e t e r sa si n d e p e n d e n tc o n t r o l l a b l ev a r i a b l e sr e s p e c t i v e l v b yw r i t i n gt h ec o r r e s p o n d i n gu s e r - d e f i n e df u n c t i o n s ，f i n a l l yt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o u l db e c o m p a r e dw i t l le x i s t i n gs i m u l a t i o nr e s u l t s ，e n g i n e e r i n gd a t ar e p e a t e d l y t h er e s u l t i n d i c a t e s t h a tt h es l m u l a t i o nm e t h o dc a na c h i e v eh i g ha c c u r a c y ，t h er e s u l t s c a i lp r o v i d et h ee f f e c t i v e r e f e r e n c ef o re n g i n e e r i n go p e r a t i o n t h i sp a p e rt a k ef l u e n ta st h es i m u l a t i o n p l a t f o r m ，c o m b i n i n gs e l s p r o 掣猢i n 舀s e t s z l 2 0 - 1 5 7 - a i ib o i l e ra s t h e e x a m p l e ，r e s e a r c ht h ef e a s i b i l i t yo fs e m i - c o k e ，sr e b 咖n g p r o p o s a l ，a sw e l la st h en e c e s s a r yr e b u m i n gc o n d i t i o n sf o rt h es t a b i l i t yo f p r i m a r yc o m b u s t i o n t h e 代s u l t ss h o w st h a t ：w h e nf e e dg r a i ni so f1 m l nt o4m ms i z ea n db e l o w2k 幽n o w ，m e p n m a r yc o m b u s t i o no ft h ec o m b u s t i o nc h a m b e rb a s i cn o ta f f e c t e db y r e b u m i n g ，w i t hag o o d e n e r g ys a v m ge f f e c t o nt h ep r e m i s eo fg u a r a n t e eo ft h es t a b i l i t yo ft h ep r i m a r yb 啪i n g ， r e s e a r c ho nt h em a j o rw i n ds p e e d ，a i rv o l u m ea n d e x c e s sa i rc o e f f i c i e n tw h i c hm a vi i l f l u e n c e c a r b o c o a lc o m b u s t i o ne f f i c i e n c y ，t h er e s u l ts h o w st h a t ：w h e nt h em a j o ra i rv o l u i n ei nm e p o s i t i o no fa2 9 m 4 0 md i s t a n c et of u r n a c ed o o r , t h ef e e d i n ga n dr e b u r n i n g g e tt h eh i g h e s t e f f i c i e n c y ；w h e na i rc h a m b e re x c e s s i v ec o e f f i c i e n tc 【i sb e t w e e n1 5a n d1 6 ，t h er e b u m i n g e m c i e n c y1 st h el a r g e s t ，c a na m o u n tt o6 8 3 ；w h e nt h em a j o rw i n ds p e e da r e r 廿1 e5 1 m d l s t a n c ep 0 i n tt ot h es t o k e r , f u r n a c e sm a i n s t r e a ma r e aw i l lf o r mg a sp h a s ev o r t e xo f l a r g e s c a l ea n dh i g ht h e r m a le f f i c i e n c y ，w h i c hc a n e f f e c t i v e l yi m p r o v eb 啪o u tr a t e ，i tc a l lb ea s h i g ha s7 7 6 ；t h i sp a p e ra l s oc o m p a r et h ef o r e s e n da n db a c k s e n dt y p eb o i l e rc h 锄b e r - a i l d t h e 心s u l t ss h o wt h a tt h ef o r e s e n di so f h i g he f f i c i e n c y ，g o o db u r n i n gs 切b i l i 够，e t cp r o m i n e n t a d v a n t a g e s ，t h ef o r e 。s e n db o i l e rc h a m b e rs h o u l db et h ef n s tc h i o c ei na r e b 啪i n gp l a l l k e yw o r d s ：g r a t e f i r e df u r n a c e ；s e m i c o k e ；r e b u m i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t 、 r “ 一 第1 苹绪论 第1 章绪论 1 1 本课题研究背景及意义 层燃锅炉是我国工业锅炉中的主要炉型。截止至2 0 0 5 年底，我国在用锅炉总台数 为5 5 3 8 万台，约1 6 5 万蒸吨，其中：电站锅炉0 7 8 万台；工业锅炉3 1 2 8 万台；生活 锅炉2 3 3 2 万台；并以每年8 0 0 0 台的速度增长。燃煤工业锅炉是我国重要的热能动力设 施，适用面广，需求量大，并且主要集中在人口密集的城市和城郊工业区。目前，全国 处在使用期的工业锅炉中，容量小于3 5 t h 的锅炉约占工业锅炉总量的9 8 9 ，其中大 于等于2 0 t h 的占不到2 0 ，2 l o t h 的占7 5 ，小于l t h 的占5 ，锅炉平均容量不 到3 讹。小于2 t h 的锅炉热效率在5 5 - - 6 0 ，2 4 t h 锅炉热效率在6 0 - 6 5 ，6 l o t h 锅炉热效率在6 5 - - 7 0 ，l o t h 以上锅炉热效率在7 0 - - - 7 5 ，总体平均运行热 效率为6 5 左右，比国外先进水平低1 5 2 0 ，处在较落后的水平l l 】。这些燃煤工业锅炉 都以层燃为主，耗煤量占全国总煤耗量的1 3 ，将近4 亿吨标准煤，耗煤量大，热效率 低，气体污染物和固体废渣排放量高，因此，工业锅炉节煤降耗的空间巨大，目前急需 开发适合我国国情的先进工业锅炉节能技术。 图1 1层燃炉除尘器图1 2 除尘器中的半焦 从长期的层燃锅炉运行中，我们发现，在绝大多数层燃锅炉的除尘器中( 见上图 1 1 ) ，都存在着一种具有高热值的可回收燃料半焦( 见上图1 2 ) ，半焦俗称兰炭， 它是具有较高挥发分的烟煤经过低温( 5 0 0 至7 0 0 。c ) 干馏得到的固体产物，相对于一 般焦炭，它具有高化学活性，高热值，低灰，低硫，低磷等优良特性【2 1 ，由于我国的层 燃锅炉都是燃用较高挥发分的烟煤，所以半焦在层燃锅炉的除尘器中是普遍存在的，但 是在现有的层燃炉中，它并没有受到重视，而是和其他燃料残渣一起直接被废弃了，如 果我们能有效的利用这一高热值且获得方式简单的燃料，那么对于现有的层燃锅炉来说 将会是一个很好的节能增效的方案。 哈尔溟工程大学硕士学位论文 正是基于目前我国层燃工业锅炉装机容量大，运行效率低，年煤耗量高，负荷波动 频繁，飞灰含炭量大等等这些现状，本课题提出这个针对层燃锅炉的半焦再燃方案，同 时也符合我国提倡鼓励工业锅炉新型节能技术探索研发的国情。课题旨在验证层燃炉中 半焦再燃技术的可行性，稳定性，探索影响半焦再燃的各种主要因素以及这些因素的影 响规律，并在可行的前提下对现有锅炉做出相关的优化建议，使半焦再燃能够更加高效 的进行，从而尽可能的节煤降耗，提高锅炉的热效率。 1 2 国内外研究概况、水平和发展趋势 本课题所涉及到的三个重要方面分别是：对于半焦燃烧特性以及其他化学特性的研 究现状；炉膛中床层内部反应以及床层上部空间反应的研究现状；层燃锅炉各种节能技 术的发展现状。下面就对这三个方面依次说明。 1 2 1 半焦特性的研究现状 目前国内关于半焦的研究，除了常规的物理化学性质分析以外，更重要的都集中在 对于半焦的热重分析和燃烧特性研究上面，苏州大学王俊琪，戴苏明【3 】等人利用常规烟 煤在同压不同温的流化床氮气气氛中的热解半焦作为样品，分析其成分变化的规律，特 别是硫的变化规律，并利用热重分析仪分析了不同温度下热解所得半焦的活化能，研究 表明随着热解温度的升高，活化能逐渐降低，这为煤气化及半焦燃烧的分级转化技术提 供了参考；大连理工大学沈胜强，李素芬【4 】等人对半焦粒子着火、燃烧过程进行实验研 究，测定了不同尺寸的焦粒在不同环境温度下的着火点、滞燃期、燃尽时间和燃烧过程 中的粒子温度等燃烧相关参数，对影响半焦粒子燃烧的因素进行分析讨论，并将实验结 果与理论计算结果进行了对比分析，有较好的一致性；中科院力学研究所的刘典福，魏 小林【5 】所做的半焦热重实验则侧重于同种治焦原煤在不同热解温度下所产生半焦的特性 对比，主要是燃烧特性的对比，考察了制备温度对半焦燃烧特性的影响。试验结果表明： 相同煤种制得半焦，随制备温度升高，半焦着火温度上升，燃烧活化能增加，燃烧反应 活性降低；东北大学的余建立，肖兴国【6 】等人侧重研究了半焦的气化动力学，并与焦炭 的反应性作了比较。研究表明，半焦的反应性优于焦炭，其气化反应是由气体的内扩散 来控制的，该研究还测得了相应的表观内扩散活化能，得出了半焦气化的动力学模型。 模型预测值与实测值体现出很好的一致性；太原理工大学的乔晋红，赵炜r 7 】等人运用称 重法和热重分析法对半焦的吸附特性进行了实验研究，研究了半焦对酸性或碱性物质的 吸附情况。结果表明不同的热解温度下产生的半焦吸附性不同，高温下生成的半焦可吸 2 第1 章绪论 附更多甲醛；而表面的化学处理也可影响半焦的吸附性，表面经过酸性处理后，半焦对 甲醛的吸附量明显减少。东南大学陈晓平，谷小兵 8 1 等人在自行研制的增压型热重分析 仪上对半焦的加压燃烧特性进行了系统研究。讨论了五种半焦在不同压力、不同粒径条 件下的t g d t g 曲线，分析了半焦种类、总压大小和半焦粒径对最大失重速率、最大失 重峰温度、燃尽时间、燃尽温度等的影响，并使用均质反应性指数对半焦反应性加以评 价；中科院煤炭研究所朱廷珏，王洋1 9 1 研究了加入不同种类催化剂的半焦的燃烧特性， 结果表明添加催化剂后半焦具有较好的反应活性，炭燃烧反应前需要吸附的氧量也相对 较小，具有较小的m i 值；并通过燃烧动力学计算发现以氧化钙为催化剂制得的半焦燃 烧活性最高，最后，以平均活化能作表示半焦燃烧活性的一个指标，与其它研究者提出 的可燃性综合指标s 进行了比较。 1 2 2 炉膛反应的研究现状 关于炉膛内部反应，又分为床层内部反应和床层上部空间反应两个部分( 见下图1 3 所示) ，其中区域为床层反应部分，区域为床层上部空间反应部分，这两部分反应 的机理和类型完全不同，所以研究者们都将这两种反应分开研究，这其中又以床层内部 反应为基础，得到真实而完备的床层反应情况，可以为上部空间反应的计算提供详尽的 边界条件，使上部反应的计算变的容易且精确，所以研究炉膛反应，其难点在于对床层 内部反应情况的探究。 图1 3 床层反应和床层上部空间反应区域示意 国内对于层燃炉数值模拟的研究始于2 0 世纪9 0 年代，但由于煤层建模难度较大， 3 啥尔浜工程大学硕士学位论文 故研究多局限于炉膛内部冷态流场或气体均相燃烧，这是主要的简化处理形式。 王基壮u o j 等人研究了炉膛气态的均相燃烧，该研究为模拟设定了一致的进i ：1 烟气速 度和温度，采用文献中均匀配风实验结果来处理烟气各组分进1 2 1 浓度，同样是改变炉拱 形状分析其对流场分布的影响特性；王擎【l l 】等人对炉膛炉内气流混合的冷态模拟，则用 来辅助消烟二次风的设计。钱焕群【1 2 1 等人将床层逸出烟气处理为冷态空气，在锅炉标准 工况下，改变炉拱形状，模拟得到不同炉拱结构时流场分布情况，为炉拱设计制造提供 参考；柏静儒【1 3 等人则在研究中d h a t 对于煤层的考虑，即用“黑箱模型 来处理煤层 反应，并在研究中对床层纵向不同反应阶段加以考虑，分为水分蒸发区、预热区、主燃 区、燃尽区，分别计算得到床层纵向表面烟气组分浓度分布，以此作为气相燃烧的边界 条件。 这种均相模型的研究，只能考虑流场，相当于忽略了内部反应以及因此导致的压力、 速度、温度、浓度的大幅变化，因此局限性较大，随着燃烧模型研究的不断深入，新的 燃煤床层数值计算方法不断被提出和改进，较典型的有以下列这些学者进行的研究： k a e r s k 1 4 1 对生物质层燃锅炉进行了数学模拟，研究探明了炉排上的温度变化过 程，还给出床层顶部逸气的质量分数，以此作为床层上部自由空间的边界条件进行进一 步的计算；f a t e h i 和k a v i a n y i ”】等人则基于化学和热平衡建立模型，建模对象是木材颗 粒为中介的固定床，实验中认为挥发分与焦炭的燃烧处在同一反应阶段，单步反应速率 与氧化速率相关。模拟得到火焰峰面传播速率和以空气流速为变量的床层温度函数，结 果表明模拟值与实验值体现了很好的一致性；h z h o u 1 6 1 等人也对层燃锅炉秸秆燃烧进行 了模拟，运用了一维的单元体模型，这一典型模型形式也是现在研究者认为的最简便而 又具备高准确度的模拟或实验方法，该模型假设气体的运动为柱塞流，无破碎、摩擦、 烧结的情况发生，忽略燃烧过程中的固体体积缩小的影响，详细地描述了燃烧过程的数 学模型。该实验还分析了不同的因素( 一次风速，一次风的氧气浓度，生物质燃料的水 分浓度等) 对火焰锋面和床层温度的影响，将模拟值与实验进行对比，通过参数研究发 现有效热导率、秸秆热容和填充条件对固定床上秸秆燃烧的模拟预测有重要的影响。v a n d e rl a i l s l l ”等人以二维的稳态模型来模拟层燃炉床层的麦秆燃烧，所得着火速率的绝对 值与预测有一定偏差，结果预测了着火速率的趋势和床层温度，这些与实验结果有很好 的一致性；y a n g t l 。8 1 等人的模拟针对炉温、烟温、烟气组分、燃烧效率和燃烧时间等各个 参数之间的关系进行了模拟研究，与实测数据符合度较好；另外，g o d d a r dcd 【1 9 1 ，r y u c 2 0 1 ，g o o d f e l l o wj f 2 1 1 ，g o hyr 【2 2 1 ，n a s s e r z a d e hv 【2 3 1 等人都以f l i c 为平台数值求解了 炉排燃烧的控制方程，对固定床和非固定床结果分别于实验数据对比，验证了其求解方 4 第1 章绪论 法的正确性；清华大学动力实验室的胥波，张彦文【2 4 】等人以3 5t h 链条炉煤层燃烧过程 为对象建模，将床层模拟温度分布、组分浓度分布作为炉膛自由空间数值模拟的边界条 件，采用f l u e n t 系列软件对自由空间的进行流场模拟，把模拟结果和实验结果相对 比表明，所建燃烧模型可较准确地模拟和预测典型链条炉的燃烧过程，然后以此结果为 基础对该锅炉的选择性非催化还原( s n c r ) 脱除n o x 过程进行初步研究；哈尔滨工业大 学的费俊【2 5 1 等人对层燃炉膛的垃圾焚烧建立数学模型并运用p h o e n i c s 系列软件进行 了数值模拟，将垃圾燃烧过程的模拟结果与试验结果进行比较分析，体现了较好的一致 性。另外模拟得到了较详细的燃料层的温度变化情况、燃料的质量变化情况和气体成分 变化情况等，分析比较了不同一次风率下的燃烧过程，分析了一次风率对燃烧过程的影 响，从而优化炉排参数，为实际中的层燃炉燃烧过程提供有价值的参考。 1 2 3 层燃炉节能技术的发展现状 目前针对层燃锅炉的节能方案最主要有以下四种：增设二次风；分层给煤；优化炉 拱；飞灰再循环。下面对这四种方案依次加以说明： 增设二次风f 2 6 1 ：二次风是指在将一部分空气( 也可以是烟气或蒸汽) 以很高的速度， 喷射到炉膛空间内，促使处在燃烧过程中的烟气强烈的搅拌混合，使可燃性气体，未燃 尽颗粒等与空气充分混合而燃尽，从而降低化学不完全燃烧热损失和固体不完全燃烧热 损失，提高热效率，同时减少了对大气的污染。我国已经有很多锅炉设备采用该方法， 均取得了显著的节能效果。 分层给煤1 2 。l ：该技术是利用特定的筛分装置，将煤仓中的原煤通过重力筛分，大颗 粒首先铺覆在下面，小颗粒稍后下落在表层的给煤方式。其燃烧过程与传统的链条锅炉 大体一样，即先后为预热、挥发分析出和碳燃尽阶段。但由于此时的原煤上下分层使得 其与传统的不分层燃烧过程存在着明显差异。干燥预热段，煤层受热来源于后部烟气的 冲刷和炉拱热辐射，此炉排区域长短依赖于燃料含水量与挥发份含量，此时炉膛温度较 传统炉膛温度10 0 左右，煤层迅速升温而使该区间缩短且提前了3 4 c m 。在挥发份析 出段，受热后上层挥发份首先逸出并着火燃烧，表层高温向下引燃使固定炭燃烧进而引 起块煤挥发份逸出、燃烧，由于下部煤块之间空隙更大，通风良好，上部的小颗粒碎煤 易被一次风吹起而形成半悬浮燃烧，火苗高大均匀，燃烧强烈。此过程中，上、下层燃 烧水平距离差为1 2 c m 左右，下部的块煤燃烧所需的时间更长，可使上层煤二次燃烧， 更完全彻底，总体上该区域比传统燃烧更短；最后的碳燃尽区间得益于干燥区、挥发份 析出区的缩短而明显加长，煤块燃烧时间更为充足。在燃尽区，表层为上部小颗粒完全 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 燃烧形成的灰渣，底层燃料由于靠近炉排所以氧气最为充足，也可充分燃尽形成灰渣层。 这导致燃尽区末端，未燃尽部分是被夹在中间的。此给煤方式可改善炉排的通风性能， 提高了燃烧效率，减少了灰渣含碳量，节煤量可达1 0 左右。但是当锅炉负荷变化时， 炉排鼓风机转数控制不当时容易将细小颗粒直接吹出炉膛，增大飞灰含炭量，则会降低 节能效果。 优化炉拱【2 8 】：层燃锅炉中的炉拱主要起到辐射热量和烟气导流作用，燃用煤种变化， 炉拱的形式也要随着变化，因此在许多层燃锅炉中，出现了种类繁多的炉拱调整、改造 技术，如双人字拱、中间炉拱、活动炉拱等，这些方法可以在一定程度上强化煤的燃烧 过程，强化辐射换热和对流换热，拓展炉膛空间的高温区域，增加一次燃烧的热效率。 飞灰再循环【2 9 】：也就是飞灰回燃技术，在层燃炉中，由于大多数的细煤屑在炉膛内 随烟气上升流动过程中与空气的混合状况较差或未经过高温燃烧区，以及经过高温燃烧 区的时间过短等均使大量的未燃烧( 或未燃尽) 焦炭粒子飞出炉膛，而这些焦炭粒子含 有足够的热值和热量，造成了锅炉不完全燃烧损失增大。合理利用这些焦炭粒子将使锅 炉燃烧损失降低，提高锅炉热效率，减少烟气排尘量，降低环境污染。运行过程中将这 部分焦炭粒子送回炉膛高温区燃烧是减少锅炉不完全燃烧损失，降低环境污染的理想选 择，实践证明，此方案是切实可行的，可以提高锅炉效率5 1 0 左右，并取得了稳定 的运行效果。 1 3 主要内容 本课题首先要得到半焦的各种热特性，并要以实验数据为基础拟合得到较详细的炉 膛自由空间燃烧的边界条件，由拟合结果编写对应的u d f ，然后以f l u e n t 系列软件 为平台，对于影响半焦再燃燃尽率的各种因素加以研究分析，验证再燃节能方案的可行 性；研究还要得到各个相关设计参数或者运行参数对于此燃尽率的影响规律，根据此影 响规律来对实际运行加以指导，并在可行、简便的前提下对相关结构提出优化设计的建 议。 论文主要工作如下： 1 、理论基础准备( 包括炉膛内部燃烧过程分析、床层内部物理化学过程分析、床 层上部空间物理化学过程分析、单个粒子燃烧因素分析等) 及数学模型建立( 包括燃烧 模型、辐射模型、两相流模型、湍流模型等) ： 2 、查阅文献，选取一与再燃锅炉相似炉型，对其燃烧过程进行数值模拟，通过与 文献结果对比，验证所选数学模型正确性。对给定炉型，在标准工况下( 未送入半焦再 6 第1 苹绪论 燃) 进行数值模拟，通过与工程数据对比，验证本文边界处理方法的正确性，同时得到 标准工况流场结果，为后续模拟提供参照： 3 、对半焦物理、化学特性进行测试和分析，编写关于半焦粒子燃烧速率、沉降条 件的第一类u d f ( u s e rd e f i n e df u n c t i o n ) ； 4 、根据文献资料中床层燃烧实验和模拟结果，建立床层温度、组分浓度、一次风 速、一次风量分布关系式，编写第二类u d f ，作为后续模拟中炉膛入口的边界条件； 5 、对给定炉膛的再燃工况进行数值模拟，在标准工况下分析再燃半焦送入方式对 原燃烧工况稳定性的影响，包括送料粒径和送料流量影响，并在不影响原稳定工况的基 础上讨论粒径和流量对对再燃效率的影响规律。 6 、在标准工况基础上改变配风形式，研究炉膛配风组织对半焦再燃效率的影响规 律，包括主配风点位置、一次风过量空气系数、和主风速点位置这3 个因素的影响规律， 探寻提高再燃效率的最佳配风方式，制定高效合理的再燃送料、配风方案，为工程实际 中再燃运行提供操作指导、注意事项和优化建议等。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章理论基础与数学模型 2 1 炉内燃烧过程分析 2 1 1 三种燃烧过程概述 锅炉炉膛中的燃烧过程是非常复杂的，在本课题中，把该燃烧过程分为煤层的固相 燃烧、上部空间的气相燃烧以及半焦颗粒的空间射流燃烧这三部分。床层的燃烧，是由 煤层和由风仓竖直向上送出的一次风发生反应，经热解或燃烧过程产生h 2 、c o 、甲烷 等可燃气体或c 0 2 等不燃气体，同时释放大量热量。这些由燃煤表层逸出的可燃气体在 上部空间和穿过煤层后的剩余氧气一起，经气流组织混合并发生气态均相反应，在空间 大量放热，成为新煤煤面引火和加热水冷壁的直接热源，同时生成h 2 0 和c 0 2 等燃烧 产物，这一上部燃烧过程可将原煤热解产物和不完全燃烧产物燃尽，降低不完全燃烧损 失，此过程以煤层反应为基础，煤层上表面可看作上部空间反应区域的进口，为其提供 所有入口条件，而床层的燃烧，又会吸收空间热辐射，床层反应和空间反应两者互相影 响，共同决定整个炉膛的热效率。 本课题中，气力输送的半焦颗粒是由二次风口射流送出，进入炉膛空间的燃烧区域， 受气流组织的影响，在炉膛空间进行规律的悬浮运动并在此运动过程中先后完成挥发分 和固定碳的燃烧过程，最终被气流携带离开炉膛，结束整个射流燃烧过程。在此过程中， 半焦颗粒运动时经过的高温区越多，在燃烧区停留时间越长，其燃烧程度越充分，再燃 效率越高，在燃烧过程中，来自炉排煤层的热辐射、四周炉墙的热辐射和空间高温烟气 的热辐射、对流强度都会对此再燃效率产生重要影响，需要注意的是，半焦再燃工况下， 投入的半焦由二次风气力输送进入空间燃烧区，气固两相的速度和温度都是互相影响 的，但是本研究的一个重要前提是：要保证送入半焦进行再燃不会对于原有稳定燃烧工 况造成破坏或者阻碍( 包括降低煤层的燃烧效果、使床层孔隙进风不畅导致的缺氧等) ， 这样的基础上来探究再燃效率才有意义，对稳定工况造成负面影响的半焦再燃都应该避 免，微弱的负面影响在可接受范围内是允许的，正面的影响( 如提高炉膛整体温度水平、 加速新煤的引燃速度等) 则需要加强。 所以在再燃工况中，存在以上三种相互密切影响的燃烧过程。 2 1 2 床层燃烧过程分析 在燃烧过程中，炉排如同皮带一样，自前向后缓慢移动，燃料从煤斗下落到炉排进 口一端，随炉排一起前进。空气从炉排下方自下而上引入，与燃料运动方向垂直。当燃 8 第2 章理论基础与数学模型 经过煤闸门时，被限制在特定的厚度上，在炉膛受到辐射加热后进入燃烧阶段。首先是 煤层被烘干并放出挥发分，然后在运动过程中逐渐着火燃烧和燃尽，最后剩余的灰渣则 随着炉排移动而被排出炉膛。以上的各个阶段是沿炉排长度方向相继进行的，在锅炉稳 定运行的时候各个长度上的不同燃烧阶段同时发生，所以燃烧过程不随着时间而变化， 不存在火床工作的热力周期性i j 州。 图2 1 炉排燃烧过程示意图 图2 1 是炉排煤层纵向各个燃烧阶段的示意图。在图中区域l 表示新燃料的烘干和 加热区域。这是燃料被烘干、析出挥发分和挥发分着火的阶段称之为热力准备阶段，此 阶段中燃料层是吸热过程。由于燃料是直接落在炉排面上的，料层下面没有炽热焦炭层 的加热，从炉排下面送来的空气，一般其预热温度不超过2 0 0 。c ，对于燃料层的加热作 用不大，因此，在新煤进入炉膛初期，热量供应主要依靠炉膛中火焰和高温炉墙的辐射 热。此时，燃料的加热和点燃只能从其上表面开始，然后通过热传导逐渐向下传播，是 一个自上而下的燃烧过程。由于燃料层随炉排向后移动，所以燃料层中各个阶段的分界 面均呈倾斜面的形状。实际运行中，燃料层的导热性都是很差的，导致自上而下的燃烧 传播速度约为0 2 o 5 m h ，仅为炉排移动速度的1 1 0 ，所以热力准备阶段在炉排纵向上 占据相当长的区段。过了0 j k 斜面以后，燃料放出挥发分，挥发分着火燃烧。由于对于 特定的燃料，挥发分的析出温度是固定的，所以挥发分的析出面0 1 k 实际上就代表一个 等温面。 从0 2 l 开始，燃料层进入焦炭燃烧区3 ，也即主要燃烧阶段。这个区域温度很高， 燃烧相当猛烈。由于燃料层的厚度一般均超过氧化区的高度( 大致是燃料颗粒直径的3 4 倍，或略超过此值) ，因此，沿燃料层高度上又划分成氧化区3 a 和还原区3 b 。从炉排下 面上来的空气中的氧气在氧化区中被迅速耗尽，燃烧产物中的c 0 2 和h 2 0 上升进入还 原区后，立即与炽热的焦炭发生还原反应。 最后为燃尽阶段。此处，燃料层燃尽形成灰渣，灰渣随着炉排的移动而倾入灰斗。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由于燃料是自上部引燃的，因此燃料层上面先形成灰渣。因此，在燃料层上表面先形成 灰渣。同时由于空气是从燃料层下面送入，故紧靠炉排面的燃料层也较早形成灰渣。因 此，在炉排尾部未燃尽的焦炭层是被夹在上下灰层中间的，这对于多灰分的燃料的燃烧 室不利的。 、一一 图2 2 炉排烟气浓度分布 基于煤层的这种分阶段燃烧的形式，煤层表面逸出的气体组分也是沿床层纵向不断 改变。图2 2 表示了炉排上部烟气浓度曲线。对应于图2 1 ，在d ，点以前，燃料层正在 受到加热烘干，因此通过燃料层的空气中0 2 的浓度基本保持不变，其体积分数约为2 1 。 从d j 点以后，挥发分不断析出并着火燃烧，随机焦炭也开始进入反应，因此炉排上部 气体中c 0 2 成分不断增加，0 2 成分相应减少，直至耗尽为o ，于此相对应的是出现了第 一个c 0 2 最高点。其后，随着主要燃烧阶段中还原区的出现和加厚，气体中c o 和h 2 成分不断增多，c 0 2 成分逐渐减少，缺氧情况相当严重，以至连挥发分中的可燃气体成 分c h 4 等也无法燃尽。当c o 和h 2 成分达到最大值后，随着燃料层部分烧成灰渣，还 原区厚度减薄，此二成分又逐渐下降。当还原区消失时( 此时燃料还在进行氧化反应) ， 出现了第二个c 0 2 最高点。此后，灰渣不断增多，焦炭层厚度愈来愈薄，所需0 2 量减 少，因此燃料层上方气体中0 2 成分不断增高，最后可能达到2 1 。由此可见，在炉排 的头尾二区段，燃料层上方气体中0 2 有余( a 1 ) ，而在中部区段，0 2 却相当缺乏，不 完全燃烧产物c o 和h 2 则很多( a 1 ) 。 2 1 3 煤粒物理、化学过程模型 上一节介绍的是整个床层宏观的燃烧过程，对于单个煤粒来说，其物理化学过程的 组成及顺序和宏观是一样的，即水分干燥、析出挥发分与燃烧、焦炭燃烧与气化。见下 图2 3 所示，下面依次对这三个过程的条件和特性进行分析。 1 0 第2 章理论基础与数学模型 一c 0 a s h d r y i n g d e v o l a t i l i z a t i o n c h a r ( e ) c o m b u s t i o n 图2 3 单个煤粒的物理、化学过程模型 煤块最先进行脱水过程，在小于1 0 0 ( 2 的环境温度下，传质作用受到很大限制，脱 水很慢，在环境温度大于1 0 0 ( 2 时，传质能力大大增加，吸热即可直接导致强烈的蒸发 作用，由此脱水速度可表示如下： 凡= 信筹厂_ j 器t 1 。0 0 。c c 沼。 巩= 嘎2 0 s h d ( 2 2 ) s h = 【1 + 1 5 ( 1 6 ) 1 ( 2 0 + 1 1 r e 0 6 s e ) ( 2 3 ) 式中：c w 。一水汽在煤层表面的密度，在饱和压力下 n p 。t q 3 mh o 芦。矿 此式中( 乃) 是对应温度下的饱和蒸汽压力 c w 。一水汽在气相中的密度 c 雌= p h p d 卅一气固相问传质系数 d h n 一水汽单相传质系数 q一煤粒吸热量 上乙一液态水的潜热 在水分完全析出后，煤炭颗粒温度持续上升，挥发分逐渐析出，由经验公式可得， 挥发分析出的速率与剩余含量有如下正比关系：r 耐= 蛾，这里k 为阿累尼乌斯系数， 后= ae x p ( 一e r t , ) 。y v o ，为挥发分的瞬态组分浓度。通常以元素平衡法来估算挥发分产 物构成，分为c o 、h e 、c h 4 、n 2 等气相产物，这些产物受穿过煤层气流的影响与氧气 混合并燃烧，燃烧速率此时受到混合速率影响，混合速率和表示为： r m i x = 0 8 3 1 1 5 0 掣“7 5 掣，r n i 等，老) 沼4 ， 哈尔溟t 程大学硕士学位论文 其中：d g 为气体扩散系数，占为煤层孔隙率，d 为煤粒直径，哝为气速，c 和q 分别 为质量分数和燃尽理想配比值。 和e b u 模型原理一样，燃烧速率取化学反应动力学速率和混合速率两者中的小值， 即： r = m i n ( ，如打) ( 2 5 ) ，_ 、 = q 卜兀【c j 川 ( 2 - 6 ) 拈么警唧卜毒j 沼7 ) 上式中c f 为第，种组分的质量分数，7 7 ，为对应该质量分数的指数。，a ，e ，r ，k 均为 化学反应动力学系数。 煤层的挥发份燃烧过程可用下列反应式描述： h 2 + 0 5 0 2 一h 2 0 ( g ) r = 1 0 阻2 】【0 2 e x p ( 一5 0 5 0 t ) ( 2 - 8 ) c o + 0 5 0 2 c 0 2 尺= 2 2 3 9 x 1 0 1 2 c o 】【0 2 】o 2 5 【h 2 0 】- o e x p ( 一2 0 4 4 6 t ) ( 2 - 9 ) c 0 2 一c o + 0 5 0 2 尺= 7 , 5 x 1 0 1 1 c 0 2 e x p ( - - 4 6 5 0 0 t ) ( 2 1 0 ) c h 4 + 0 5 0 2 专2 h 2 + c o r = 4 4 1 0 1 1 c h 4 】o 5 【0 2 pe x p ( 一1 5 1 0 6 t ) ( 2 - 1 1 ) c h 4 + 1 5 0 2 专c o + 2 h 2 0 ( g ) r = 1 , 6 x 1 0 1 0 c h 4 】0 7 0 2 】n 8 e x p ( 一2 4 1 5 7 t ) ( 2 1 2 ) c h 4 + 2 0 2 专c o + 2 h 2 0 ( g ) r = 1 5 8 x 1 0 1 3 c h 4 】o 7 0 2 】仉8 e x p ( 一2 4 3 4 3 t ) ( 2 1 3 ) c h 4 + h 2 0 3 h 2 + c o 足，= 3 x 1 0 8 c h 4 】【h 2 0 e x p ( - 1 5 1 0 6 t ) ( 2 - 1 4 ) r = 5 1 2 x 1 0 q 4 i n 2 c o e x p ( - 3 3 t ) ( 2 - 1 5 ) 其中：r ，为可逆反应的正向进行速率，r 为逆向进行速率。 煤粒燃烧的最后一个阶段是焦炭燃烧气化，生成c o 和c 0 2 的过程，其中也包含焦 炭对c 0 2 和h 2 0 的还原反应，此反应主要受到颗粒表层温度，气膜阻力和氧气扩散系 数的影响： 1 2 第2 章理论基础与数学模型 c + 三o ，一2 ( a - 1 ) c o + 2 - 口c o ， ( 2 1 6 ) 肛等熊坛南 沼 c + c o 一2 c o ( 2 - 1 8 ) c + h 2 0 ( g ) 一h 2 + c o ( 2 _ 1 9 ) 其中：砖是颗粒燃烧速率，屯为氧气的气相扩散率，为氧气的孔隙扩散率，口大小 与c o 和c 0 2 的体积比有关。 2 2 控制方程 床层反应包含床层气相反应和床层固相反应两部分，需要反应模型、组分输运方程、 动量方程、能量方程、解耦方程等。这些方程以满足相关物理、化学基本定律为前提推 导得出，燃烧流的模拟计算就是建立在定律和假设基础上的，在上述这些通用微分方程 组的基础上，建立特定附加方程使其封闭，初始条件和边界条件由工程实际问题给出， 以此来解算该偏微方程组。此类偏微分方程的通用形式是： 昙p 卅杀p v 加云( m + ( 2 2 0 ) ( i )( i i ) ( i i d0 v ) 从通式来看各个基本方程差别仅在于源项的不同，其中第( i ) 项为控制体内部特 性量随时间的变化率，是非稳态项；第( i i ) 项为通过该控制面通量的净流率，是对流 项：第( i i i ) 项为通过控制面由于分子运动效应导致的热质输运散度，是扩散项：第( ) 项为与该控制体相关的内部或外部过程对此特性量变化所做的贡献，是源项。通用方程 提供了一般化的数值计算方法，在此基础上进行数值模拟。 2 2 1 固相控制方程 连续性方程： 监+ 巩监+ 塑进：一s 。 ( 2 2 1 ) 西“o x 砂 。 能量方程： 里! 丝堡2 t - l l b 望! 旦i 竺2 + 望! 丝堡堡2 ： 昙( 以等) + 易( 以等) 一既c l 一毛，+ 魂 q 乏2 组分方程： 1 3 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 垫整) a ( ) 。a ( k ) + z ，l = _ 土+ _ 二二，二_ = 芝= a t “ a y 砂 ，、 如掣h 取竽卜 旺。2 ” 其中：p 、八丁密度、时间、温度 甜、v 水平方向分速度、竖直方向分速度 x 、y 一和炉门水平距离、竖向高度 s 、日一质量源项、焓值 绣h 一气固相间传质系数、气固相问对流换热系数 、 颗粒表面积、导热系数 一第k 个反应或过程的热效应 w 、d 一组分质量分数、质量扩散系数 b 一床层相关反应或过程 g 、j 、s b 一气体、固体、固体密度 f 、，一固体组分、气体组分 2 2 2 气相控制方程 连续性方程： 动量方程： 能量方程： 组分方程： 型+ 皇幽+ 掣掣：最 (2-24)o t o x 加 3 掣+ 业o x 幽+ 篝掣= 一鲁州z ，g ， 西 加 魂 、7 掣+ 丝o x 型+ 篝等= 一斋川v g ，a却却 、7 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 皇! 丝垦! + 皇! 丝丝墨! + 皇! 丝生垦! ： ，研、ay(2-27) 鼬针舡豺绷m ) + 酏 望! 丝监! + 皇! 熟丝鳖! + 皇! 丝生型： 甜0 2 , c 0 1 y 如掣h 4 掣卜 q 乏8 1 4 ；皇；昌i i i i i i 萱暑i i 二鍪三耋二矍兰鎏垒璧型墼茎堡茎：i i i i 宣i 宣i i i i i 一 舯旷币l h g ，为气相溅= 丽p ，为单刊删藏旷障对， 为混合气体平均密度。 2 2 3 异相热质传递方程 s m n 孵= s m a s s , d r y l ，l g 七s m a s s , d e v o l + s 籼，c h d r2 。( 2 2 9 ) 办m 4 ，v o ，( 一x m r f a c e ) 一忽耐枷( 一y ) 一i t 表a p , 耐 瓯倒，伽栅秽h 彳p , v o i ( 一乃耐) = & 。，砌略圮唧一 等。一。撕鲁印：旺删 其中：d r y i n 、d e v o l 、c h a r 分别代表干燥、挥发、焦炭气化过程；a p 驯2 j 鼍； ，下、 k 刊舻f e x p 卜 f 。 2 3 湍流模型 2 3 1 湍流模型概述 湍流运动具有不规则性和无序性，属于非定常流，但是湍流并不引起流体粘性、连 续