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(shí)煤泥具有高持水性?高灰分?低熱值的特點(diǎn),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(tuán),到達(dá)爐膛底部時(shí),可能會(huì)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(yáng)析進(jìn)入飛灰,會(huì)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(yùn)動(dòng)和干燥過程的一維模型,并與實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(yùn)動(dòng)特性明顯不同?同時(shí),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(yùn)動(dòng)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(bǔ)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(yùn)動(dòng)和干燥過程做以下假設(shè):(1)運(yùn)動(dòng)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(gè)位置達(dá)到熱平衡,即同一個(gè)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(yùn)動(dòng)方程通過物理過程假設(shè),建立煤泥的運(yùn)動(dòng)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(shí)間;FD為顆粒的阻力項(xiàng)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(shí)間;FD為顆粒的阻力項(xiàng)系數(shù),其形式為
床料密度按2600kg/m3考慮,由實(shí)驗(yàn)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(kuò)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(kuò)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(kuò)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(xiàng)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(jì)算
計(jì)算過程逐次求解運(yùn)動(dòng)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(jì)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(yùn)動(dòng)影響計(jì)算如圖3所示1mm小顆粒被攜帶向上運(yùn)動(dòng)?頂部給料時(shí),頂部流體速度實(shí)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(yùn)動(dòng)?隨著運(yùn)動(dòng)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(shí)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(jì)算不同粒徑顆粒的穩(wěn)定時(shí)間(表1)?
為清晰體現(xiàn)出粒徑對顆粒運(yùn)動(dòng)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(shí)間影響較小?
10mm顆粒中部和底部與頂部給料時(shí)風(fēng)速對穩(wěn)定時(shí)間的影響趨勢不同?中部和底部給料時(shí),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(shí),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(diǎn)在100mm左右,因此有必要在100mm附近進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算?頂部給料時(shí)30~300mm顆粒的穩(wěn)定時(shí)間計(jì)算結(jié)果如圖4所示?
頂部給料時(shí),隨粒徑增大,顆粒穩(wěn)定時(shí)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(shí)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(shí)間取決于顆粒的運(yùn)動(dòng)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(shí)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(huì)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(tuán)聚物料接觸床層絕對速度不超過6.5m/s時(shí),可保證床層穩(wěn)定?因此,300~500mm顆粒在運(yùn)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(jì)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(shí)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(shí)間較短,同時(shí)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(shí)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(shí)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(shí),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(huì)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(shí)際運(yùn)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(shí)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(shí),表層溫度為200℃左右?
(1)煤泥顆粒運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng),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(shí)間整體減小,但其存在一個(gè)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(shí),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(shí),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(shí)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(bào),2015,v.40;No.25007:1628-1633.