运行参数对锅炉煤粉着火燃烧和飞灰含碳量影响的数值研究

1、.：.；第24 卷第4 期2004 年8 月文章编: 10006761(2004)04047007动力工程W ER NGNEER NGVo. 24N. 4Au. 2004灰 , 颉, 锐, 华, 琨(哈尔滨工业大学能源科学与工程学院, 哈尔滨150001)摘: 为了到达锅炉的优化运转以保证煤粉气流及时着火和充分燃尽, 采用PA 两相流动模型和煤粉熄灭综合模型, 在不同的一次风率和煤粉细度的工况下, 对1 台35MW 锅炉煤粉熄灭过 程进展了数值模拟, 得出了炉内熄灭器区域以及出口处烟气温度场和熄灭产物的组分浓度分分析了一次风率和煤粉细度对煤粉着火熄灭和飞灰含碳量的影响规, 并确定了优化的运转参

2、结 果阐明: 一次风率对煤粉气流的着火影响较, 而对出口处烟气温氧量以及飞灰含碳量影响较 。煤粉细度对煤粉气流的着熄灭以及燃尽均有较大影。图8 表2 参9关键: 动力机械工; 煤粉熄灭; 数值计; 一次风; 煤粉细; 飞灰含碳量中图分类: TK224文献标识: ANmercalS tudy ofOpeaton Paametes on Puverzed Coalgniton and Unbuned Cabon n Fy Ash or a BoierCH EN B nghua, ZH AN GJ e, SUN R ui, W U S haohua, Q N Yukun(Schoolof Energ

3、y Scence and Engneerng, Harbn nstitute of Techoogy, Harbn 150001, Chna)Abstac: n order o obtan optmm operaton of oiers and then enure tmey gniton and mpetey burout of puvered oa, puvered oal mbuston poceses n a 35MW oierwere nmercaly ca2 cuated under dfferent prmary air ratos and puvered oal fnenes.

4、 The nter Phae Slp A oritm modelwas mpoyed or the wophae fw smuato. The mprehensve oal mbuston modelswere ued o smuate mbuston poces. The nmercal reults hwed the tmperature fed and the mbu2ton pece oncentraton distrbutons n the mbuston one and at furnace exi. The effectsof prmary air rato and puvere

5、d oal fneness on puvered oal gniton and unburned caron ontent n fy ah were studed and optmm operaton parmeterswere gve. The reults ilustrate that prmary air rato has a maor effect on puvered oal gniton and m or effects on gas tmperature, oxygen oncentraton and unburned caron at furnace exi. Puvered

6、oal fneness has sgnfcant effectson puvered oal gn2ton, mbuston and burou. Fgs 8, tabes 2 and refs .Key wods: pwer and mechancal engneern; puvered oal mbuston; nmercal smuaton;prmary air rato;puvered oal fnenes; unburned caron ontent: 20031015: 20040321: 华(1968), 男, , 研 : 。对于现代化的一流火电厂的发电机组来, 不仅要保证消费运

7、转的平安性, 还要着重思索消费过 程的经济电厂的经济性涉及汽锅电热陈炳, 陈炳, : 运转参数对锅炉煤粉着火熄灭和飞灰含碳量影响的数值研讨471第4 期化学和燃料等各方, 而锅炉效率是非常重要的 一个方飞灰含碳量是影响锅炉效率的重要要素, 也对锅炉的平安运转有很大的影。煤粉中的大部 分可燃物应该在炉膛火焰中心燃尽, 假设煤粉无法 正常燃尽, 火焰中心上, 伴随着飞灰含碳量增, 那么会呵斥炉膛出口区域烟气超温暖呵斥位于该区域 的高温过热器和再热器管的超, 影响主汽温度的 调整, 长此以, 就会呵斥爆管等突发事故1 。影响飞灰含碳量的要素: 燃料的性炉膛结 锅炉负煤粉细度和配风方式。对于炉膛结燃料

8、性质一定的锅炉, 在一样的负荷, 煤粉细 度和配风方式选择的合理与, 关系到炉内的空气 动力, 直接影响煤粉气流的着熄灭及燃尽, 从 而影响飞灰含碳长期以来, 人们不断采用实炉测 试方法来确定飞灰含碳, 并探求降低飞灰含碳量的运转方法, 但实炉测试任务量, 测试工况有,较难获得详细全面而又经济可靠的结果2 。数值计 算的开展为煤粉熄灭研讨开辟了一个新的领, 使 实际分析和实验研讨之间建立了相互结合的途。 经过数值实验手段模拟炉内煤粉熄灭过, 分析运 行参数对煤粉气流的着火熄灭和飞灰含碳量的影响规律, 从而指点锅炉的运转优化, 已得到越来越广泛 的关。本文采用了适宜于旋流熄灭方式锅炉的数学模 型

9、和计算方法, 根据炉内空气动力场的物理性, 采用了合理的网格划分和边境条件, 利用PHON CS程序, 在不同的一次风率和煤粉细度的工况下, 对山 东日照电厂35MW 锅炉煤粉熄灭过程进展了数值计算, 分析了一次风率和煤粉细度对煤粉气流着火和飞灰含碳量排放情况的影响规律, 得出了优化的 运转参。1况日照电厂35MW 锅炉设备是亚临一次中 间再自然循环汽固态排渣煤粉; 采用平衡 通负压熄灭方式, 单炉, 型布, 水冷壁采用 膜式构造炉膛烟气依次流经屏式过热高温过热 高温再热低温再热低温过热省煤、 空气预热器和电除尘锅炉设计燃用烟煤, 采用直 吹式制粉系, 每台锅炉配有4 台MBF23 型中速 式

10、磨煤机, 每台磨煤机供一层4 只熄灭锅炉共 有16 只W 双调风旋流煤粉熄灭器在前墙按4 层4 列布, 采L型熄灭方式, 旋流熄灭器布置 方式及二次风气流的旋向如图1 所。图1图Fg 1Laout of the burners n the furnace2法. 1数学模型煤粉熄灭过程是伴随多种热传送景象的带有化 学反响的湍流气固两相流。煤粉熄灭过程的模拟需求建立很多物理和化学过程的简化模, 用以描述气固两相流相间作用颗粒湍流弥煤粉 枯燥挥发份析出与熄灭焦炭熄灭以及辐射传热等 过。. . 1气固两相流动模型本文采用了PA 模型(nterphae Slp A o2 ritm Mode)进展气固两相

11、流动的数值计算, 对气 固两相分别采用延续相介质控制方程进展描画, 第i 相的特性参数5i 控制方程为d(riii)dt + d iv (riV ii -ri#ig rad (i) - i#rig rad (ri) = S i + S p (1) 式: i= 1 为气相, i= 2 为固; #i为相内分散系 ; #ri为相间分散系;S i 为相内作用源;S p 为相 间作用源;V i 为第i 相介质的速; ri 为体积份 额, 即单位体积内第i 相介质所占的体积份。气固两相间的相互作用包括质动量和能量 传送, 其中动量传送是由两相之间的气动阻力产, 可表示为F = 3r2CdV 1 - V 2

12、D(2) 式,Cd 为阻力系数, 由球型颗粒的规范阻力系数 公式给出Cd = 24(1 + . 1Re. 687)Re(3),Re , 为Re = D V 1 - V 21(4) 式, 1 为气相密;D 为固相采用的球形颗粒直 ; 1 为气相动力粘。对于气相湍流流动采用k双方程湍流模型,详细方式见参考文献3 。动力工程动力工程472第24 对于固相颗粒的湍流弥散过程采用湍流 Prandtl 数的梯度分散假设来模拟, 湍流Prandtl 数 可表示为P t =1 + . 5(. 85 V 1 - V 22k)(5)热烟气经过热传热对流和热辐射的方式加 热煤粉颗, 热辐射所占份额比较, 可以忽略不

13、 。本文采用关于Nuselt 数的体积模型在焓方程 中参与传热源项来模拟传热过, 该源项可表示为q = 61 rN u (T 1 - T 2)D 2(6)式中, 为气体的热传导系;N u 为Nuselt 数,N u= 2+ . 6R e. 5P r. 33。. . 2煤粉熄灭综合模型 本文采用的煤粉熄灭综合模型假设煤粒为单一粒径的球形颗粒, 在反响进展的任何时辰, 煤粒由水 原焦炭和灰份这4 部分组。煤粒温度的上升导致煤粒中的水份蒸发, 进入。原 , , 。炭 于碳物CHx), 量 。根据单步反响模型4 来模拟煤的热解过, 挥 发份的生成速率为均匀交错网格系统中求解5 。在SM LEST 算法

14、 中, 首先是对流项采用迎风格式, 同时采取加密网格 的方法防止能够出现的假分散问。其次是分散项 采用线性迭代, 对流项采用点迭, 可以免去求解速 度场所需求的很强的低松弛, 有利于加快结果的收 敛和求解压力场的准确性5 。由于炉膛沿宽度方向上是对称的, 本文以宽度 方向的半个炉膛作为模拟对, 选取从炉膛下部的 冷灰斗到炉膛上部的折焰角之间的区域作为计算 经过对比计算阐明: 以上对计算域的两项简化对 炉膛内的各主要变量的分布情况的影响很因此, 本文的数值模拟均取简化后的计算域, 其长度方向 (X )宽度方向(Y)和高度方向(Z)分别为1m.m 3. m, 取Y = . m 处YZ 截面为计算对

15、称 为了获得与网格疏密程度无关的数值模拟结,以便较准确地反映炉内情况, 必需选取适当的网格。经过对比计, 最终选择X Y 和Z 方向上均 优化后的网格数304870 作为本文数值模拟的 网格划。详细的计算域构造及优化的网格划分如图2 所。&m vol = A v r22Ym ce&- EvR T 2(7)式中,m c 为煤粉颗粒的质; Yv 为枯燥无灰基的煤 中挥发份所占的质量百分。根据焦炭熄灭的分散动力模型4 , 焦炭的熄灭 速率R c 遭到氧分散到焦炭外表的速率K d 和焦炭 外表的化学反响速率K c 这两方面的控制, 可表示 为6r2PO2 1 (a) 图Rc =D(1K c+ 1K(8

16、)d)K c = A ce- EcRT2(9)Kd = SDOM cRT D(10) 式中, PO2为氧气的分;DO2为氧气的分散系; Sh 为Shewood 数, 取为. ;M c 为碳的摩尔质。对煤粉熄灭的其它分过程分别采用水份蒸发的 分散模挥发份熄灭的U A rrhenus 气相湍流熄灭模型以及六热流辐射传热模型等, 详细方式见参考文献3 。. 2计算方法及网格划分采用有限差分法来离散微分方程, 对控制方程 的求解采用SM LEST 算法, 在直角坐标系下的非(b) 分陈炳, 陈炳, : 运转参数对锅炉煤粉着火熄灭和飞灰含碳量影响的数值研讨473第4 期(c) 分图2分Fg 2Cacua

17、ted furnace structure and man grd. 3边境条件以锅炉如今常采用的实践运转工况为例引见边 界条件设, 即二次风旋流数为. 5, 一次风率为1. 3%, 颗粒平均粒径为2. 4m 的工。. . 1壁面边境条件 壁面边境条件按无滑移条件取, 即uiw = 0, viw = 0,w iw = 0,pw = 0, kw = 0, w = 0(11) 式中, uvi 和w i 分别为第i 相介质的轴向速切 向速度和径向速。对于流体近壁区域采用如参考文献3中的壁 面函数近。温度取为定值T = Tw , 壁温Tw 根据炉膛水冷 壁管中汽水混合物的温度以及管壁的灰污情况确定,

18、本文中取为Tw = 350。. . 2入口条件入口条件按进口均匀分布取, 给出各进口气 固两相的质量流量和温度。选取BC 和D 层12 只熄灭器投用时的满负荷工况进展数值计算, 锅炉主要运转参数示于表。表1锅炉主要运转参数abe 1heman perfomnce ameers of oer量(th)量(kgs)量度度风 D 磨 C 磨 B 磨 D 磨 C 磨 B 磨 (kgs) () () 数 5. 71 4. 66 4. 88 2. 53 2. 66 2. 26 31. 08 32. 5 70 . 5 . . 3出口条件= 0, = u , v ,w, p, k, , 且v= 。(13)出口

19、条件按充分开展条件取, 即z = 0, = ui, vi,w i, p, k, 。(12)给定出口处的外环境压力为大气, 环境温度 为出口温。. . 4对称面条件yiiii. . 5煤粉参数的设置实验煤种为高挥发份烟煤, 是日照电厂的常用 煤种之, 其煤质分析示于表根据煤粉粒径筛分特性参数R 90 和R 200 算出煤粉的平均粒径为2.4m。表2实验煤种的煤质分析和粒度分析abe 2Propery nd fnnessnayss of he esed cal析(%)析(%)量析(%) V daf A ar M ar Cd Hd Sd Nd Od Qne, ar(kJkg) R90 R200 3.

20、 4 2. 03 . 8 6. 31 . 09 . 48 . 03 . 86 21260 2. 52 . 23 , 温3析煤粉气流及时着火, 那么熄灭器出口温度程度较 高, 煤粉颗粒在高温环境下停留时间延伸, 熄灭反响 的速度加快, 煤粉颗粒充分燃, 保证了煤粉气流稳 定着火和充分熄灭。煤粉气流的及时着火可以由着 火间隔 这个变量来反着火间隔 较, 那么煤粉及时 着火熄灭, 熄灭器出口区域温度程度较, 炉内烟气 温度也坚持较高程度。, 着 着 。, 温, 为4005006 。, 就需求使它的挥发份和混合的空气的温度上升到更 献7: 基 挥份V daf )为30%为750,V daf = 40%

21、为650。发 气流的稳定着, 在很大程度上是靠煤粉析出的挥发, 。, 度 , 的V daf = 3.4%, :474动力工程第24 T = 750 -3. 4 - 30 40 - 30(750 - 650) = 750 - 54 = 696()(14)上 烟气温度到达着火温度时间隔 熄灭器出口的轴向距 。, , 距器2030mm , 60mm故 在60mm 。, , 因, 因 , , 煤 , 优 于3%。. 1一次风率的影响坚持其他运转参数不变, 当二次风旋流数为.5, 煤粉颗粒平均粒径为2. 4m 时, 分别选取一次 风率为15%, 1. 3%和20%的3 个工况进展了数值 模拟, 研讨一次

22、风率对炉内熄灭过程的影响规, 选 取在该组运转参数下优化的一次风率, 从而指点锅炉的熄灭调。. . 1一次风率对熄灭器区域的影响(a) 布(b) 布图3下D 氧气质量浓 布Fg 3Axal gas tmperature and oxygen oncentraton pofe of the burner of the evelD at dfferent prmary ar rato图3 给出了不同一次风率下D 层熄灭器中心 线上烟气温度和氧气质量浓度的沿程分布情。由图3 可以看: 随着一次风率的增, 熄灭器出口处 温升减, 煤粉气流着火延, 熄灭器出口附近温度 程度下, 但到炉膛中央处, 烟气温

23、度根本一样。这是由于一次风为直, 随着一次风率的添加, 一次风 速添加, 射流的轴向动量添加, 切向动量与轴向动量 的比值减小, 总旋流强度减小, 中心回流区的长度及 直径有较大幅度的下, 射流的扩展角也有较大幅 度的下, 使得煤粉气流的温升缓慢, 不利于煤粉及时着火和熄灭, 从而使得熄灭器出口附近温度程度下降8 另, 一次风率添加, 相当于煤粉浓度降, 难以构成高浓度区, 煤粉气流的着火温度升高, 着 火时间延伸, 煤粉气流难以及时着火, 也使得熄灭器 出口附近温度程度较随着一次风率的增大, 氧气 浓度下降速度减到炉膛中央处, 当一次风率较小 时, 在距熄灭器轴向间隔 m 以, 煤粉根本燃,

24、 故氧量根本坚持不。当一次风率为20%时, 由于 一次风率过, 使得一次风与二次风之间的混合推 迟, 部分煤粉由于惯性作用仍在熄灭器中心线附近 熄灭, 耗费大量氧, 使得氧气浓度下降, 然后维持 较低程度。. . 2一次风率对出口处参数的影响图4 为一次风率对出口处烟气平均温度, 平均 氧量以及飞灰含碳量的影由图可, 当一次风率由15%提高到1. 3%, 飞灰含碳量由. 0%下降为. 8%, 但当一次风率由1. 3%提高到20%时, 飞灰 含碳量又上升为. 9%普通来, 一次风率提高那么 会加强炉内气流的后期混合程度, 熄灭烟温程度将 有所上, 飞灰燃尽率将有所提高但假设一次风率过大, 将推迟

25、一次风的着火点, 降低煤粉的熄灭效率9 。但是, 总的来, 一次风率的变化对出口处各 个量的分布情况影响较。图4口处烟气平均温度和烟气成份的平均质量浓度 响Fg 4Effects of prmary ar rato on average gas tmperature and peces oncentraton at furnace ext第4 期陈炳, : 运转参数对锅炉煤粉着火熄灭和飞灰含碳量影响的数值研讨475. . 3一次风率的优化选择区间为10m, 依次类推, 直到某颗粒粒径区间范围 内的筛余份额小于. 00。然后计算出各个粒径范围内的煤粉颗粒数目N i, 从而求取煤粉颗粒平均粒 径D

26、本文利用编写的程序计算不同的R 90和R 200下 煤粉颗粒的平均粒径D。i(N i = 6R i - R i+ 1)i(18)iD =N D 2iN i(19)图5对D 距 响Fg 5Effects of prmary ar rato on average gas tmperature, gn2 ton dstance and unburned caron ontent n fy ah at m2 buston one of D evel burners图5 给出了一次风率对炉内D 层熄灭器区域 烟气平均温煤粉着火间隔 和出口处飞灰含碳量 影从图5 可以看: 一次风率对出口处飞灰含 碳量影响

27、不大, 都在3%之内, 但当一次风率在15% 到1. 3%这一, 一次风率越, 出口处飞灰含碳 量越, 故一次风率不应该小于15%。一次风率对 煤粉着火间隔 影响很大, 随一次风率添加, 煤粉着火 间隔 添加, 熄灭器区域烟气平均温度下为了保证 煤粉着火间隔 在60mm 以内, 一次风率应该在1.5%以。思索到炉内熄灭器区域的温度程度, 故优 化后的一次风率范围为151. 5%, 最正确一次风率约为1. 5%。. 2煤粉细度的影响本文采用的PA 两相流动模型对于颗粒相采 用的是延续介质假设, 煤粉颗粒被以为是单一粒径的球形颗粒, 故需求将煤粉细度换算成煤粉颗粒平均粒。煤粉颗粒的粒径分布可以用R

28、osnRmm er分布式来表示, 煤粉的筛余份额可表示为6 :R = exp (- bn)(15) 式中, 为筛孔宽度(相当于颗粒直径); b 和n 分别 为由筛分分析得到的实验系。将煤样粒度分析中给出的煤粉粒径筛分特性参 数R 90和R 200分别代入上式, 可解得两未知数b 和n:坚持其它运转参数不, 当二次风旋流数为.0, 一次风率为1. 3%时, 分别选取煤粉颗粒平均粒 径为2. 4m, 30m, 40m 和50m 的4 个工况进 行了数值模拟, 研讨煤粉细度对炉内熄灭过程的影 响规, 选取在该组运转参数下优化的煤粉颗粒平 均粒, 从而指点锅炉的熄灭调。. . 1颗粒平均粒径对熄灭器区

29、域的影响(a) 布(b) 布图6下D 度和氧气质 布Fg 6Axal gas tmperature and oxygen oncentraton pofe of the burner of the evelD at dfferent partce fnenessn = n(1R200) - n(1R90)n(20090)(16)图6 给出了不同颗粒平均粒径下D 层熄灭器b = n(1R 200)200n(17)本文将煤粉颗粒粒径分布离散, 10m 以下 的煤粉颗, 以为其平均粒径为10m; 10m 到20m 的颗粒以为其平均粒径为15m, 即颗粒粒径中心线上烟气温度和氧气质量浓度的沿程分布情

30、由图6 可以看, 颗粒平均粒径对炉内熄灭器区 域的温度分布有很大的影响, 随着颗粒平均粒径的 增大, 熄灭器区域的温度程度降低较这是由于煤476动力工程第24 颗粒平均粒径过大, 比外表积(外表质量)小,加热升温, 不利于挥发份的析, 煤粉气流着火延 迟, 使得熄灭器区温度程度降低, 煤颗粒的非均相燃 烧反响不完全, 从而导致炉内熄灭器区域氧量添加。. . 2颗粒平均粒径对出口处参数的影响图7对出口处烟气平均温度和烟气成份的平均质量 响Fg 7Effects of partce fneness on average gas tmperature and peces oncentraton at

31、 furnace ext图7 为颗粒平均粒径对出口处烟气平均温, 平均氧量以及飞灰含碳量的影从图中可以看: 颗粒平均粒径对出口处飞灰含碳量有较大影, 颗 粒平均粒径的选择有个适宜的范。颗粒平均粒径 过大, 煤粉燃尽困难, 从而在出口处有较多的飞灰含 碳量, 同时煤粉没有充分熄灭, 导致炉膛温度程度下 降, 出口氧量添加。颗粒平均粒径过小, 由于熄灭器 的旋向布, 除了D 层是2 个熄灭器对旋, 上面3 层均是朝向炉膛中心截面的同一旋向, 这样必然导 致煤粉向炉膛中心截面处运, 煤粉在炉内的停留 时间过, 小颗粒煤粉燃尽困, 出口处也有较多的 飞灰含碳。. . 3颗粒平均粒径的优化选择图8 给出了颗粒平均粒径对D 层熄灭器区域图8颗粒平均粒径对D 层熄灭器区域烟气平均温煤粉着火距 响Fg 8Effects of partce fnenesson average gas tmperature, gn2ton dstance and unburned caron ontent n fy ah at m2buston one of D evel