張向宇,楊玉,白文剛,徐宏杰

(西安熱工研究院有限公司電站鍋爐煤清潔燃燒國(guó)家工程研究中心,710032,西安)

我國(guó)的一次能源結(jié)構(gòu)決定了煤電在未來相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍然是保障電力穩(wěn)定供應(yīng)的主力[1]。我國(guó)新疆地區(qū)準(zhǔn)東煤儲(chǔ)量達(dá)3 900億t,其中探明儲(chǔ)量2 000億t,將成為西部重要的煤電產(chǎn)業(yè)基地和特高壓輸電起點(diǎn)。準(zhǔn)東煤的清潔高效利用是目前研究的熱點(diǎn)問題[2]。

準(zhǔn)東煤易沾污和結(jié)渣,目前我國(guó)新疆地區(qū)燃用準(zhǔn)東煤的鍋爐普遍通過摻燒低鈉煤來緩解結(jié)渣和沾污。液態(tài)排渣旋風(fēng)燃燒技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電站鍋爐全燒準(zhǔn)東煤的潛在途徑。旋風(fēng)燃燒技術(shù)在國(guó)外的研究與應(yīng)用已經(jīng)比較成熟,在美國(guó)旋風(fēng)爐已廣泛應(yīng)用于PRB(powder river basin)高堿煤的燃燒[3]。在國(guó)內(nèi)旋風(fēng)技術(shù)主要用于煤粉和生物質(zhì)的氣化[4],旋風(fēng)燃燒煤粉爐僅在一些小容量自備電廠中采用[5],還缺乏大機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn),尤其是改燒準(zhǔn)東煤時(shí)技術(shù)消納能力存在明顯不足。

液態(tài)排渣造成爐內(nèi)的燃燒反應(yīng)及傳熱過程極為復(fù)雜,灰渣在壁面沉積后將形成液態(tài)渣膜,熔渣側(cè)與燃燒側(cè)相互影響、相互耦合[6]。很多研究工作采用燃燒數(shù)值模擬和結(jié)渣建模相結(jié)合的方法來研究旋風(fēng)燃燒過程。周俊虎等將數(shù)值模擬得到的氣化爐內(nèi)溫度分布代入渣生成模型中,求解了不同控制區(qū)域固態(tài)渣層厚度和液態(tài)渣層厚度,但模型中未考慮渣層對(duì)燃燒的反饋?zhàn)饔肹7-8]。汪小憨等詳細(xì)探討了液態(tài)排渣爐內(nèi)灰渣沉積以及煤粉的附壁燃燒機(jī)理,提出了一種考慮渣液流動(dòng)的粉煤壁面沉降燃燒模型,但該方法未將附壁燃燒模型與爐內(nèi)燃燒進(jìn)行很好地耦合[9-10]。劉升等在煤灰渣顆粒壁面沉積模型的基礎(chǔ)上考慮壁面反應(yīng),建立了完善的渣層流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)和相變模型,并以爐內(nèi)計(jì)算結(jié)果為邊界條件求解了煤氣化爐內(nèi)液態(tài)渣層溫度和厚度的分布[11-12]。

在目前的研究中,燃燒側(cè)與熔渣側(cè)的計(jì)算相對(duì)獨(dú)立,未考慮壁面熔渣層對(duì)爐內(nèi)燃燒的影響,導(dǎo)致數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際燃燒過程存在較大差別。本文將結(jié)合壁面熔渣層傳熱傳質(zhì)模型和爐內(nèi)燃燒CFD模擬,研究準(zhǔn)東煤旋風(fēng)燃燒時(shí)溫度、熔渣層厚度和捕渣率的分布特性,并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比來驗(yàn)證計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。

1 計(jì)算模型

模擬計(jì)算的對(duì)象為一立式旋風(fēng)爐試驗(yàn)臺(tái),如圖1所示,主要包括立式旋風(fēng)筒、過渡煙道、燃盡室、水平煙道、空氣預(yù)熱器和旋風(fēng)除塵器等部分。旋風(fēng)筒設(shè)計(jì)容量為100 kW,高度為1 100 mm,筒徑為300 mm。爐內(nèi)壁為耐火混凝土,爐膛及煙道均采用水系統(tǒng)冷卻。煤粉和一次風(fēng)由旋風(fēng)筒頂部噴入,助燃二次風(fēng)由筒壁切向分級(jí)送入。

圖1 立式旋風(fēng)爐試驗(yàn)臺(tái)示意圖

主要考慮旋風(fēng)筒內(nèi)的燃燒過程,建立燃燒側(cè)CFD模型如圖2所示。由于二次風(fēng)噴口附近存在較高的速度梯度和溫度梯度,對(duì)一二次風(fēng)混合區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。爐膛采用六面體網(wǎng)格,二次風(fēng)噴口不規(guī)則區(qū)域采用四面體網(wǎng)格過渡,網(wǎng)格總數(shù)為1.56×107。網(wǎng)格數(shù)繼續(xù)增加時(shí),模擬結(jié)果的差異性很小。

圖2 燃燒側(cè)CFD模型

熱態(tài)計(jì)算采用三維穩(wěn)態(tài)模型,氣相湍流流場(chǎng)采用realizablek-ε雙方程模型,顆粒相采用拉格朗日離散相模型。煤粉燃燒采用PDF模型,采用雙匹配速率模型模擬煤粉揮發(fā)分的析出,焦炭燃燒采用動(dòng)力/擴(kuò)散控制燃燒模型。用P-1模型計(jì)算輻射傳熱。熔渣層輻射率受化學(xué)組分影響較小,僅與溫度有關(guān),1 200～1 400 ℃范圍內(nèi)取值0.69[13]。

一二次風(fēng)噴口采用速度入口邊界條件,煙氣出口選擇壓力出口邊界條件。壁面采用無滑移邊界,壁面溫度采用定壁溫計(jì)算,數(shù)值由熔渣側(cè)傳熱傳質(zhì)模型校正。

旋風(fēng)燃燒條件下,高溫熔融的飛灰顆粒在爐內(nèi)氣流的帶動(dòng)下在壁面沉積燃燒并形成液態(tài)的渣層。熔渣邊界層在流動(dòng)過程中與煙氣側(cè)發(fā)生傳熱傳質(zhì),熔渣層厚度和溫度均呈非均勻分布,對(duì)應(yīng)的熔渣物性參數(shù)也將發(fā)生改變。傳統(tǒng)的集總參數(shù)模型在精度和空間分辨率上均存在不足[14],因此本文針對(duì)熔渣側(cè)建立了分布參數(shù)的傳熱傳質(zhì)模型,如圖3所示。

圖3 熔渣側(cè)傳熱傳質(zhì)模型

一般認(rèn)為液態(tài)渣膜分為3層:第1層為向火面的真實(shí)液態(tài)流動(dòng)層;第2層為塑性層;第3層為不流動(dòng)的凝固渣層[15]。由于熔渣的流動(dòng)和傳熱傳質(zhì)主要發(fā)生在液態(tài)流動(dòng)層,因此本文中的熔渣側(cè)只考慮流動(dòng)層。

爐內(nèi)煙氣通過輻射和對(duì)流的方式將熱量傳遞給熔渣膜,將渣膜與爐壁之間的熱量傳遞簡(jiǎn)化為沿法線方向上的多層壁導(dǎo)熱,傳熱方程如下式所示

(1)

式中:i表示壁面網(wǎng)格單元數(shù),這里假定每個(gè)壁面網(wǎng)格內(nèi)熱物性參數(shù)是均勻的;qw表示壁面熱流密度;Tz表示渣膜表面溫度;T0表示灰臨界溫度;δ表示液渣流動(dòng)層厚度;λ表示液渣流動(dòng)層導(dǎo)熱系數(shù)。由于熔渣內(nèi)溫降幅度較小,可假定熔渣層導(dǎo)熱系數(shù)不變。

高溫熔融的顆粒與渣膜發(fā)生碰撞,并被渣層捕集。熔渣層內(nèi)的傳質(zhì)方程如下

(2)

式中:mash表示飛灰顆粒質(zhì)量沉積速率;D表示旋風(fēng)筒內(nèi)徑;ρ表示熔渣密度;v表示渣膜流動(dòng)速度。在每個(gè)網(wǎng)格內(nèi),熔渣層的流動(dòng)可簡(jiǎn)化為黏性牛頓流體的邊界層流動(dòng),流變方程如下式所示

(3)

式中:ρ代表重力項(xiàng),這里忽略煙氣曳力項(xiàng);u表示熔渣的黏度,可通過黏溫特性試驗(yàn)確定,其隨溫度的變化如下式所示

(4)

其中u0為熔渣臨界溫度下的黏度,uz為熔渣表面溫度對(duì)應(yīng)的黏度,φ為量綱一的數(shù)。將邊界條件代入式(1),離散得到液渣流動(dòng)層內(nèi)速度分布為

(5)

液態(tài)渣膜的形成主要受爐內(nèi)復(fù)雜氣固兩相流動(dòng)、溫度分布等影響,同時(shí)渣膜的流動(dòng)和分布特性又會(huì)影響爐內(nèi)的燃燒和換熱過程。為提高旋風(fēng)燃燒數(shù)值模擬的精度,提出如圖4所示的聯(lián)合迭代計(jì)算流程,其原理是利用燃燒側(cè)CFD模擬更新顆粒沉積速率和壁面熱流密度,利用熔渣側(cè)傳熱傳質(zhì)模型更新壁面溫度,兩者交叉迭代,直到收斂。燃燒側(cè)壁溫初值取1 500 K,熔渣側(cè)沿筒長(zhǎng)方向劃分為6個(gè)網(wǎng)格。

圖4 聯(lián)合迭代計(jì)算流程

2 結(jié)果及分析

試驗(yàn)煤樣為天池煤,煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)如表1所示,屬于高揮發(fā)分、低灰分的準(zhǔn)東高堿煤,收到基低位發(fā)熱量為17 660 kJ/kg。煤灰堿酸比為2.35,煤灰流動(dòng)溫度為1 473 K,灰渣密度為2 400 kg/m3。

表1 煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)

注:M、A、V分別表示水分、灰分、揮發(fā)分;下標(biāo)ar表示收到基,下標(biāo)daf表示干燥無灰基,下標(biāo)t表示全部。

利用旋轉(zhuǎn)高溫黏度計(jì)在弱還原性氣氛下測(cè)定3種典型準(zhǔn)東煤灰的黏溫曲線如圖5所示。熔渣排出過程相當(dāng)于降溫黏度特性。熔渣在降溫過程中,黏度曲線會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)明顯的拐點(diǎn),高溫拐點(diǎn)即對(duì)應(yīng)灰臨界溫度[16],表征熔渣開始析出晶體。試驗(yàn)煤種灰渣的臨界溫度為1 543 K,臨界黏度為8 Pa·s。

圖5 準(zhǔn)東煤灰渣黏溫特性

圖6 飛灰顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

旋風(fēng)爐內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)及沉積特性主要受筒徑、煤粉細(xì)度和一二次風(fēng)速的影響。不同粒徑顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6所示?？梢钥闯?飛灰顆粒在煙氣曳力作用下向壁面富集,10 μm及以下細(xì)顆粒在近壁面區(qū)域隨煙氣繞流,粗顆粒與壁面碰撞并被黏附。顆粒粒徑越大,到達(dá)壁面的速度越快。高溫熔融的顆粒與渣膜均具有很強(qiáng)的黏性,顆粒與渣膜碰撞后動(dòng)量損失很大,撞擊反力遠(yuǎn)小于剛性碰撞,顆粒著膜可認(rèn)為是一次有效的[17]。因此,可以假定飛灰顆粒與渣膜一次碰撞后即被黏附。

使用LS顆粒粒度分析儀對(duì)旋風(fēng)筒出口(水平煙道處)飛灰樣品進(jìn)行粒徑分布測(cè)試,結(jié)果如圖7所示。旋風(fēng)筒出口飛灰粒徑均小于10 μm,遠(yuǎn)小于室燃爐飛灰粒徑。顆粒相運(yùn)動(dòng)軌跡的模擬結(jié)果與粒徑測(cè)試數(shù)據(jù)基本吻合,表明對(duì)粗顆粒與渣膜碰撞并黏附的假設(shè)是合理的。

圖7 飛灰粒徑分布

迭代收斂后火焰溫度分布如圖8所示。采用B型熱電偶在6個(gè)觀火孔(見圖2)處測(cè)量火焰溫度,對(duì)燃燒側(cè)模擬結(jié)果進(jìn)行校核。沿筒長(zhǎng)方向,火焰溫度逐漸降低;沿爐膛橫截面,溫度先升高后降低。這表明在旋風(fēng)燃燒條件下,煤粉貼壁燃燒,爐膛中心溫度低,壁面附近溫度高。溫度計(jì)算結(jié)果與熱電偶測(cè)量值基本吻合,誤差小于4%。

圖8 火焰溫度分布

顆粒沉積速率與壁面熱流密度分布如圖9所示。可以看出:沿筒長(zhǎng)方向隨著火焰溫度降低及煤粉燃盡,壁面熱流密度逐漸減小;顆粒沉積速率分布沿筒長(zhǎng)方向先升高后降低,這與二次風(fēng)噴口位置及配風(fēng)方式有關(guān)。采用分級(jí)送風(fēng)時(shí),助燃二次風(fēng)由第2級(jí)(高度0.32 m)和第4級(jí)(高度0.64 m)噴口送入,風(fēng)量各占30%,因此顆粒沉積速率在第2級(jí)達(dá)到最大值,然后逐漸減小到0,顆粒沉積在爐膛上半部已基本完成。

圖9 顆粒沉積速率與壁面熱流密度分布

根據(jù)沉積速率和壁面熱流密度更新液態(tài)渣膜的表面溫度和厚度分布,結(jié)果如圖10所示。主燃區(qū)火焰溫度高,壁面熱流密度大,但顆粒沉積少,渣膜厚度小,渣膜表面溫度較低。隨著顆粒沉積量增加,渣膜厚度逐漸增加,渣膜流動(dòng)速度加快,表面溫度升高。在爐膛下部,由于壁面散熱的影響,煙氣溫度和壁面熱流密度減小,熔渣表面溫度降低,渣膜流動(dòng)速度減慢,引起渣膜厚度增加。熔渣流動(dòng)層厚度約為2 mm,遠(yuǎn)小于旋風(fēng)筒直徑。為保證正常液態(tài)排渣,應(yīng)根據(jù)爐膛底部排渣口處熔渣溫度建立邊界條件[18]。

圖10 液態(tài)渣膜表面溫度與厚度分布

圖11 沿筒長(zhǎng)方向的捕渣率分布

捕渣率是旋風(fēng)爐設(shè)計(jì)和運(yùn)行的重要參數(shù),它表征了熔渣室中收集的灰渣占燃料煤總灰量的份額。捕渣率的試驗(yàn)值通過測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)除塵器收集的飛灰質(zhì)量換算得到。圖11給出了模擬計(jì)算得到的捕渣率沿筒長(zhǎng)方向的分布?？梢钥闯?捕渣率先升高后逐漸穩(wěn)定,并與試驗(yàn)值基本吻合。當(dāng)筒壁二次風(fēng)由2、4噴口提前到1、2噴口時(shí),旋風(fēng)筒上部捕渣率增加,表明配風(fēng)方式對(duì)捕渣率分布具有很大影響。在未設(shè)置捕渣管束的條件下,立式旋風(fēng)爐前置室捕渣率達(dá)到60%。

3 結(jié) 論

本文提出了一種耦合燃燒側(cè)CFD模擬和熔渣側(cè)傳熱傳質(zhì)模型的聯(lián)合迭代算法,并對(duì)準(zhǔn)東煤旋風(fēng)燃燒過程進(jìn)行了模擬研究,溫度計(jì)算誤差小于4%。旋風(fēng)爐內(nèi)顆粒在熔渣層上的沉積可簡(jiǎn)化為一次碰撞即黏附,煙氣中殘留飛灰的粒徑小于10 μm。熔渣流動(dòng)層厚度約為2 mm,遠(yuǎn)小于爐膛直徑,可近似為牛頓流體的流動(dòng)邊界層。旋風(fēng)爐燃用天池煤時(shí),排渣口處熔渣溫度高于黏度25 Pa·s對(duì)應(yīng)的溫度,能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定液態(tài)排渣。數(shù)值計(jì)算給出了捕渣率沿筒長(zhǎng)方向的近似分布,有助于指導(dǎo)配風(fēng)方式調(diào)整,防止局部積渣。