循環(huán)流化床鍋爐煤泥燃燒行為模型
煤泥泛指煤粉含水形成的半固體物,是煤炭生產(chǎn)過程中的一種副產(chǎn)品,其堆積形態(tài)極不穩(wěn)定,作為廢料廢棄,易造成環(huán)境污染?同時煤泥具有高持水性?高灰分?低熱值的特點,不宜進(jìn)行復(fù)雜處理,采用輸送燃燒是一種可靠的規(guī)?；幚砻耗嗟氖侄?循環(huán)流化床(CFB)鍋爐具有良好的燃料適應(yīng)性,是燃燒煤泥的一種有效方式,其相關(guān)問題已有學(xué)者進(jìn)行了研究?
當(dāng)前,采用輸送方式的燃煤泥CFB鍋爐的給料方式主要有:①爐頂泵送或刮板式給料;②中部噴射或泵送給料;③底部密相區(qū)泵送噴射給料?煤泥給料過程中,為保證輸送管道不堵塞,通常在保證泵壓下采用較大的管道直徑?給料進(jìn)入的煤泥形成較大的煤泥團,到達(dá)爐膛底部時,可能會影響床層的穩(wěn)定性?此外,煤泥顆粒在爐膛內(nèi)部受熱,其表面首先被干燥,如干燥表層在下落過程中被磨損,形成的微小顆粒揚析進(jìn)入飛灰,會影響燃煤泥CFB鍋爐燃燒效率?因此,需要深入研究煤泥在爐膛內(nèi)部的下落過程?
當(dāng)前,已有學(xué)者研究了高水分低品質(zhì)燃料,如水煤漿和泥煤的干燥和燃燒過程:Levi-Hevroni及A.Levy構(gòu)建了濕顆粒和水煤漿的氣力輸送條件下的運動和干燥過程的一維模型,并與實驗結(jié)果進(jìn)行了對比;Agrawal等研究了流化床中顆粒的干燥過程;Omar等研究了不同粒徑泥煤在流化床密相區(qū)燃燒不同階段的溫度變化;KijoKleczkowska等研究了流化床中不同煤種的水煤漿懸濁液的燃燒特性?但目前,干燥與燃燒模型建立與驗證過程一般針對于微米級和毫米級的小粒徑物料,其與給入CFB爐膛內(nèi)部的煤泥顆粒的粒徑條件和運動特性明顯不同?同時,需要結(jié)合CFB鍋爐爐膛內(nèi)部床料分布特性分析煤泥在爐膛內(nèi)部的運動和傳熱傳質(zhì)過程,而當(dāng)前對于該問題的研究仍然較少?1模型的建立煤泥在CFB鍋爐爐膛內(nèi)的物理過程可以描述為:煤泥給入后,下落過程受到氣體的曳力?床料的作用和重力的影響,在爐膛內(nèi)部干燥?脫揮發(fā)分并燃燒?干燥過程中,顆粒內(nèi)部的水分不足以補充蒸發(fā)的消耗,蒸發(fā)可能在內(nèi)部發(fā)生?顆粒表層逐漸形成水分較低的干區(qū),內(nèi)部形成水分較高的濕區(qū),如圖1所示,圖中rv為蒸發(fā)界面半徑,Rp為顆粒半徑?隨干燥的進(jìn)行,蒸發(fā)界面逐漸內(nèi)移直至干燥完全并進(jìn)入隨后階段?
針對該物理過程,對煤泥在CFB鍋爐爐膛內(nèi)運動和干燥過程做以下假設(shè):(1)運動過程采用一維簡化,爐膛內(nèi)部的氣固兩相混合物簡化為下部密度較高?上部密度較低的氣固混合物?顆粒在其中受到床料顆粒相與煤泥顆粒的浮力?曳力和重力,沿高度方向構(gòu)建一維模型;(2)煤泥結(jié)構(gòu)簡化為由惰性介質(zhì)和水組成的球體,滿足各向同性條件,若惰性介質(zhì)與水密度近似相同,則惰性介質(zhì)的孔隙率近似等于煤泥含水率?在干燥過程中,煤泥形狀不發(fā)生變化;(3)顆粒內(nèi)部不同物質(zhì)(液態(tài)水?水蒸氣?煙氣?固相介質(zhì))在同一個位置達(dá)到熱平衡,即同一個位置,具有相同的溫度;(4)干燥過程中,干區(qū)只存在水蒸氣?煙氣和惰性介質(zhì);濕區(qū)只存在水分和惰性介質(zhì),水分呈自由態(tài)并均勻分布;干濕區(qū)界面為蒸發(fā)界面,其生成水蒸氣并不斷內(nèi)移;(5)干燥過程中,干區(qū)壓力與外界壓力相同;(6)爐膛內(nèi)部溫度不變,外界向顆粒的傳熱過程是水分蒸發(fā)過程的惟一熱源?
1.1 運動方程通過物理過程假設(shè),建立煤泥的運動方程為
式中,u為流化風(fēng)速;uP為顆粒速度;ρb為氣固兩相流的密度;ρP為煤泥顆粒密度;τ為時間;FD為顆粒的阻力項系數(shù),其形式為
式中,u為流化風(fēng)速;uP為顆粒速度;ρb為氣固兩相流的密度;ρP為煤泥顆粒密度;τ為時間;FD為顆粒的阻力項系數(shù),其形式為
床料密度按2600kg/m3考慮,由實驗確定爐膛內(nèi)部不同高度的空隙率,亦即爐膛不同高度位置上氣固混合物的密度,結(jié)果如圖2所示?
1.2 濕區(qū)傳熱傳質(zhì)方程蒸發(fā)界面開始溫度逐漸升高至100℃,蒸發(fā)由擴散控制,蒸發(fā)速率m″v為
1.2 濕區(qū)傳熱傳質(zhì)方程蒸發(fā)界面開始溫度逐漸升高至100℃,蒸發(fā)由擴散控制,蒸發(fā)速率m″v為
式中,ρv為蒸發(fā)界面的水蒸氣密度;r為顆粒當(dāng)?shù)匕霃?hm,dr為蒸發(fā)界面對流傳質(zhì)系數(shù);Yw為水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù);D為水蒸氣的擴散系數(shù)?蒸發(fā)界面溫度上升至100℃后,熱量均用以相變蒸發(fā),傳熱量q″v為
式中,λv為水蒸氣導(dǎo)熱系數(shù);hdr為蒸發(fā)界面對流換熱系數(shù);t為顆粒當(dāng)?shù)販囟?蒸發(fā)速率m″v為
式中,hf-g為水的蒸發(fā)潛熱?考慮顆?？紫堵师舙,蒸發(fā)界面遷移速度為
式中,ρw為水的密度?由能量守恒方程得到濕區(qū)內(nèi)部的傳熱方程為
式中,ρg為顆粒內(nèi)煙氣相密度;對流項速度ug由等壓假定得到
則式(10)簡化為
式中,cpv為水蒸氣的比熱容;cpf為干煙氣的比熱容;cpc為煤干基的比熱容?
1.4 顆粒表面的邊界條件顆粒表面與外界發(fā)生對流和輻射換熱,根據(jù)工程上的處理方式,總換熱系數(shù)h為對流換熱系數(shù)hc和輻射換熱系數(shù)h之和?顆粒與外界的對流換熱系數(shù)考慮床層空隙率εb的影響,有
表面對流換熱系數(shù)hc為
式中,λ為煙氣的導(dǎo)熱系數(shù)?表面輻射換熱系數(shù)hr為
式中,ε為顆粒與床層間的表觀發(fā)射系數(shù);σ為斯忒潘-玻爾茲曼常數(shù);Tp為顆粒外表面絕對溫度;Tb為床層絕對溫度。
1.5 離散化及工況的計算
計算過程逐次求解運動和傳熱傳質(zhì)方程?溫度T和質(zhì)量分?jǐn)?shù)Yw采用Crank-Nicolson隱式差分格式,以保證方程穩(wěn)定域?小室數(shù)量選取考慮網(wǎng)格無關(guān)性,保證顆粒表層單元溫度與網(wǎng)格精度無關(guān)?
計算選取1~500mm顆粒和3~5m/s流化風(fēng)速,具體工況根據(jù)煤泥和鍋爐參數(shù)確定?初始高度為距布風(fēng)板15,35,55m;爐溫為900℃;初始水分含量為33%?顆粒粒徑和流化風(fēng)速對運動影響計算如圖3所示1mm小顆粒被攜帶向上運動?頂部給料時,頂部流體速度實際不能簡單視為與底部相同,小顆粒首先下落,隨后被反向攜帶,在爐膛內(nèi)干燥并燃燒?10mm顆粒開始受到的曳力與浮力之和小于重力,顆粒加速運動?隨著運動速度增加,其受到的曳力逐漸增大,速度達(dá)到穩(wěn)定?靠近下方床層后,其受到床料顆粒的作用逐漸增大,速度逐漸減小,最終穩(wěn)定在某一高度燃燒?100,500mm顆粒開始時加速下落,到達(dá)最大值之后,在靠近床層附近速度大幅下降,最終到達(dá)床層達(dá)到穩(wěn)定?
進(jìn)一步以顆粒速度小于0.1m/s或到達(dá)布風(fēng)板上方2m作為穩(wěn)定條件,計算不同粒徑顆粒的穩(wěn)定時間(表1)?
為清晰體現(xiàn)出粒徑對顆粒運動行為的影響,選取10,100,500mm作為特征粒徑?結(jié)合圖3分析,給料高度和風(fēng)速對大顆粒的穩(wěn)定時間影響較小?
10mm顆粒中部和底部與頂部給料時風(fēng)速對穩(wěn)定時間的影響趨勢不同?中部和底部給料時,顆粒到達(dá)最大速度后很快進(jìn)入減速階段,影響因素主要為顆粒的減速過程,高風(fēng)速造成了較大的曳力,使煤泥顆粒較快達(dá)到穩(wěn)定?頂部給料時,影響因素主要為顆粒在稀相區(qū)的穩(wěn)定速度,較低的流化風(fēng)速使顆粒較快到達(dá)床層附近進(jìn)入減速階段?
結(jié)合表1和圖3,得到不同風(fēng)速下顆粒達(dá)到穩(wěn)定的粒徑轉(zhuǎn)變點在100mm左右,因此有必要在100mm附近進(jìn)行詳細(xì)計算?頂部給料時30~300mm顆粒的穩(wěn)定時間計算結(jié)果如圖4所示?
頂部給料時,隨粒徑增大,顆粒穩(wěn)定時間在下降過程中出現(xiàn)峰值?隨流化風(fēng)速增大,峰值后移,同時峰高降低?
較小顆粒給入爐膛內(nèi)部后,煤泥顆粒最終懸浮,穩(wěn)定時間取決于顆粒的運動與減速過程?隨粒徑增大,顆粒在上部稀相的終端速度增加,到達(dá)底部時間
4m/s流化風(fēng)速下,200mm顆粒到達(dá)床層前速度快速下降,到達(dá)床層的速度為1~2m/s,基本不會影響床層穩(wěn)定?300mm顆粒到達(dá)床層速度為3~8m/s;500mm顆粒到達(dá)床層速度為7~14m/s?一般認(rèn)為,團聚物料接觸床層絕對速度不超過6.5m/s時,可保證床層穩(wěn)定?因此,300~500mm顆粒在運行中需要加以關(guān)注?
為分析顆粒在爐膛內(nèi)部干燥情況,計算了4m/s流化風(fēng)速下,100,500mm顆粒落至距布風(fēng)板上方5m時的表層溫度分布,如圖5所示?
100,500mm顆粒到達(dá)床層底部前,均未完全干燥?500mm顆粒到達(dá)底部床層時間較短,同時顆粒粒徑較大,較100mm顆粒干燥程度低?顆粒表層與內(nèi)部之間溫度具有明顯差異?頂部給入的100mm顆粒,最終表層溫度為292℃,而內(nèi)部仍未干燥?
定義蒸發(fā)界面與顆粒表面之間的距離(即干區(qū)厚度)為干燥層厚度,得到頂部給料時100mm顆粒的干燥層厚度為0.54mm,體積分?jǐn)?shù)為3.24%;底部給料時的干燥層厚度為0.25mm,體積分?jǐn)?shù)為1.5%?500mm顆粒頂部給料時,干燥層厚度為0.36mm,體積分?jǐn)?shù)為0.43%?若忽略干燥層剝落對干燥過程的影響,并假定干燥層全部剝落,且因顆粒太細(xì)而一次通過爐膛,導(dǎo)致燃燒效率較低?由于下落過程中可剝落干燥層僅占整體的很小部分,對燃燒效率不會有較大影響?但顆粒越小,其對燃燒效率造成影響的可能性越大?因此,實際運行的給料粒徑同樣不宜過小?
表3為大顆粒落至布風(fēng)板上方5m時的表層溫度?隨顆粒增大,到達(dá)底部的干燥表層溫度降低,300,500mm顆粒到達(dá)床層時,表層溫度為200℃左右?
(1)煤泥顆粒運動性質(zhì)與其粒徑相關(guān),較小顆粒下降達(dá)到某一位置之后穩(wěn)定燃燒;較大顆粒首先加速運動,隨后受到床層上方顆粒的阻力作用,速度迅速下降,最終落到床層表面?隨粒徑增大,顆粒的穩(wěn)定時間整體減小,但其存在一個先上升后下降的峰值,其位置與高度與顆粒穩(wěn)定形式相關(guān)?
(2)200mm的顆粒在不同位置給入時,其在床層上方速度快速下降,最終為1~2m/s,對于床層影響不大?隨顆粒粒徑增大,顆粒對于床層的影響增大?頂部給料時,需要注意300~500mm顆粒對于床層的影響?
(3)能夠到達(dá)底部的大顆粒,其干燥層相對很小,對于整體燃燒效率影響較小?隨顆粒粒徑的增大,其到達(dá)底部的時間縮短而需要加熱的顆粒增大,其干燥層減小?到達(dá)底部的顆粒表面與內(nèi)部的溫差較大?
尹煒迪,李博,吳玉新,楊海瑞,劉青,呂俊復(fù),趙錦洋. 循環(huán)流化床鍋爐煤泥燃燒行為模型[J]. 煤炭學(xué)報,2015,v.40;No.25007:1628-1633.