燃烧过程中单颗煤焦的成像模型

燃烧过程中单颗煤焦的成像模型

1颗粒破碎与残灰在燃烧过程中产生的大量碳灰不仅容易导致锅炉的热敏面污染、结渣、腐蚀和磨损，这对锅炉的运行产生了重大影响，而且造成了严重的颗粒污染。近年来，它引起了世界各国的广泛关注。因此，碳灰粉的形成一直是科学家的重点。研究表明,在煤粉燃烧过程中有两类不同的飞灰生成,一类称为亚微米灰,占飞灰总质量的0.2%～2.2%,主要由无机物的汽化-凝结过程形成;另一类飞灰是焦炭燃烧后残留的固体物质,称为残灰,其空气动力学直径大多在1μm以上,主要是煤焦破碎和矿物聚合两个过程互相竞争的结果。其中颗粒破碎与残灰的形成是本文研究的重点。煤焦破碎是许多因素综合作用的结果,煤种、煤焦粒径、矿物种类、含量及其粒径分布、燃烧模式等对颗粒破碎都有不同程度的影响,但是,实验研究发现,在外部扩散控制条件下大孔(>0.05μm)结构是引起颗粒破碎的主要原因。因为即使在外部扩散控制条件下,由于大孔的存在,反应气体还是能够进入颗粒内部,氧化反应可以在颗粒外表面和孔隙内部同时进行,而孔隙的扩大和延伸降低了碳基质之间的联系强度,使得煤焦在燃烧中更容易破碎,形成粒径较小的飞灰。因此,大孔对颗粒的破碎具有十分重要的影响,没有大孔,破碎不会发生,单颗煤焦只生成一颗灰粒,大孔越多破碎越剧烈,生成的飞灰数量越大,平均粒径越小。对煤焦破碎过程的微观描述,传统的线性科学已经无能为力,而逾渗理论的提出使得对颗粒破碎的研究成为可能。某一系统中物质浓度的减少而导致物质连接性的消失是一类重要的逾渗现象,这一特点与燃烧中煤焦由于含碳物质的消耗而发生破碎的过程十分相似,国外学者曾尝试利用逾渗理论从煤焦破碎的角度对残灰形成进行了研究,但是缺乏对颗粒破碎过程本身的讨论。本文以座逾渗理论为基础建立了单颗煤焦的逾渗破碎成灰模型,深入探讨了煤焦孔隙结构与破碎程度及其残灰粒径的关系。2模型的构建2.1汽化、破碎机理(1)煤焦在外部扩散控制条件下燃烧,只考虑大孔(>0.05μm)结构的影响,因此氧化反应可以在颗粒外表面和孔隙内部同时进行。(2)煤焦中无机物都以均质细小球粒的形式存在,在燃烧过程中,矿物颗粒不发生汽化、破碎或者化学反应,因而其形状和大小不发生改变。实验研究表明,无机物的汽化量一般较少,最多不超过矿物总量的5%,因此,忽略矿物的汽化或化学反应不会对残灰粒径分布产生太大的影响。(3)不考虑表面灰的几何聚合。煤焦燃烧过程中表面灰粒由于相互接触会发生聚合,聚合作用对残灰粒径分布也有十分重要的影响,本模型重点在于颗粒的破碎成灰过程,对表面灰的聚合暂不考虑。2.2网格元素连接性煤粉颗粒用大小为n×n正方形网格表示,周围为反应气体,网格元素称为“座”,座有被占座与空座之分。被占座代表相同体积的碳基质,在矩阵中以1表示,空座代表相同体积的大孔,在矩阵中以0表示。假设网格中格点总数为N,煤焦初始孔隙率为Φ,则空座数目为Np=NΦ,被占座数目为Nc=N(1-Φ)。煤中矿物均匀分布于被占座上,而空座和环境中的矿物含量都为0。每个被占座含有一个相同大小的矿物颗粒,视作直径为Dp的均质球体。表面被占座定义为与环境直接相连的所有被占座。空座在网格中的分布是随机的,因此可能存在封闭孔,而反应气体只能进入那些与环境直接相通的孔隙。为与实际情况相符,空座在网格中的随机分布应该保证所有被占座相互连接成一个集团,即无“碎片”存在。而破碎事件是否发生的判断,有赖于网格元素连接性的定义,不同的连接性约定,得出的判断可能完全不同。对于方形网格,常用4-连接(图1)或者8-连接(图2)规则检验网格元素之间的连接性,4-连接规则约定中心元素Si,j只与紧邻的上、下、左、右四个元素(Si-1,j、Si+1,j、Si,j-1、Si,j+1)之间存在连接的可能性,而8-连接规则中,除了上、下、左、右四个元素(Si-1,j、Si+1,j、Si,j-1、Si,j+1),Si,j还可能与相邻的四个对角元素(Si-1,j-1、Si-1,j+1、Si+1,j-1、Si+1,j+1)之间相互连接。通过实践,我们发现对于初始孔隙率Φ=0的煤焦,当采用4-连接规则时,最终残灰的数目并不必然为1,因此不能反映实验结果;而采用8-连接规则时,无论网格大小,实验结果都能得到重现,所以,本模型对被占座连接性的判断均采用8-连接规则。2.3相邻被占座的处理(1)找出表面被占座,包括外表面以及与环境直接相通的孔隙内表面上的被占座。(2)从表面被占座中随机选取Si作为反应被占座,假设Si包含的矿物颗粒数为ni。(3)根据8连接规则,Si如果存在相邻被占座,则:(a)随机选择相邻被占座Sk(矿物数为nk),将Si上的矿物加到Sk中去,则Si上矿物为0,而Sk上矿物变为nk+ni;(b)将被占座Si标识为空座,从表面被占座矩阵中移去。(4)如果Si不存在相邻被占座,则:(a)将Si上的矿物ni作为飞灰存储到残灰矩阵中,Si上矿物置为0;(b)将Si标识为空座,从表面被占座矩阵中移去。(5)重复步骤(2)～(4),直到该层表面被占座全部被移去。(6)若网格中还存在被占座,继续(1)～(5),否则结束循环,将残灰进行转换,大小用粒径表示,最终得到不同粒径的残灰矩阵(以下为程序流程图)。3煤焦初始孔隙率模拟逾渗网络的大小取为50×50,煤中内在矿物颗粒大小多在1～15μm之间,本例被占座中矿物颗粒直径Dp取为2μm,煤焦初始孔隙率Φ取0、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45,分别进行模拟。3.1扩散控制效果初始孔隙率Φ=0时,模拟结果显示,只有一颗大小约为27μm的残灰生成。而实验研究已经表明,在扩散控制情况下,若无大孔结构存在,煤焦燃烧将遵守缩球模型,在燃烧过程中不会发生破碎,煤中矿物在反应结束后聚合在一起形成单颗残灰。因此,实验结果在模拟中得到了再现。3.2=0.10.453.2.1初始孔隙率对煤焦碎粒重的影响图4中的曲线分别显示了残灰数目和破碎次数随Φ的变化趋势,由图可以看出,在Φ从0.1增大到0.45的过程中,生成残灰的数目和破碎发生的次数都逐渐升高,说明煤焦初始孔隙率Φ越大,颗粒破碎就越剧烈,生成残灰也越多。深入考察不同Φ值时残灰数目(Nash)与破碎次数(Nfrag)之差,我们还发现随着Φ的增加,Nash-Nfrag也有增大的趋势(图5),预示着初始孔隙率越大,碎片发生再次破碎的概率越大,但是这个结论还有待实验的验证。为了研究不同燃烧阶段颗粒破碎的剧烈程度,定义燃尽率在0.5之前破碎的次数为N0-0.5,而燃尽率在0.5之后破碎的次数为N0.5-1,总的破碎次数为N,计算不同初始孔隙率条件下燃尽率在0.5之前与之后的破碎次数之差占破碎总次数的百分比,在图上绘出拟合曲线(如图6)。由图可见,Φ≤0.3时,百分数为负,表明燃尽率在0.5之前颗粒发生破碎的次数较少,即煤焦在燃烧后期的破碎要相对剧烈,而Φ>0.3时,则正好相反。从曲线反映的趋势上不难看出,随着初始孔隙率的增加,煤焦在燃烧前期的破碎程度逐渐加剧,直到占据主导地位。以上结果定性反映了大孔结构对颗粒破碎的决定性作用,煤焦大孔越多,结构的不规则程度随之增加,会变得更加脆弱,另外,大量反应气体进入孔隙内部,加剧了反应的进行,因此颗粒很容易在燃烧初期就发生剧烈破碎,生成较多的残灰颗粒。3.2.2初始孔隙率对煤焦残灰粒径的影响从残灰平均粒径的变化曲线(如图7)可以看出,随着Φ值增加,残灰平均粒径(Dm)明显减小。根据3.2.1的分析,很显然这是颗粒剧烈破碎的结果,因为煤焦初始孔隙率越大,颗粒破碎程度越高,生成的残灰越多,但是矿物总体积却是减少的,所以初始孔隙率越大,残灰的平均粒径就会越小。另外,从带有正态曲线的残灰粒径频数分布图(如图8),可以发现初始孔隙率Φ从0.1增加到0.4的过程中,越来越多的残灰集中在较小的粒径范围内,这也从一个侧面反映了残灰平均粒径随初始孔隙率增加而减小的事实。4颗粒初始孔隙率对煤焦破碎的影响本文以座逾渗理论为基础建立了单颗煤焦的破碎成灰模型,并探讨了大孔结构与破碎程度以及