循环流化床锅炉煤泥燃烧行为模型

　第40卷第7期煤　　炭　　学　　报Vol.40　No.7　　2015年7月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYJuly　2015　尹炜迪,李　博,吴玉新,等.循环流化床锅炉煤泥燃烧行为模型[J].煤炭学报,2015,40(7):1628-1633.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.1092YinWeidi,LiBo,WuYuxin,etal.ModelofcoalslimecombustionbehaviorinCFBboiler[J].JournalofChinaCoalSociety,2015,40(7):1628-1633.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.1092循环流化床锅炉煤泥燃烧行为模型尹炜迪1,李　博1,2,吴玉新1,杨海瑞1,刘　青1,吕俊复1,赵锦洋2(1.清华大学热能工程系热科学与动力工程教育部重点实验室,北京　100084;2.电力规划设计总院,北京　100120)摘　要:为计算煤泥燃烧行为的运动和干燥过程,基于沿垂直方向一维运动与颗粒内部退缩蒸发界面假设建立了耦合模型,计算了不同条件下煤泥的运动和内部温度参数。结果表明,煤泥的运动过程与粒径相关,细颗粒下落后向上运动,较小颗粒到达某一位置之后稳定燃烧,较大颗粒可以落到床层表面。由于炉膛内部物料分布的影响,颗粒的稳定时间在整体下降趋势中存在一个峰值。大颗粒受到床料的影响,在床层上方速度衰减迅速,200mm颗粒到达表面时,速度为1~2m/s,不会对床层产生较大扰动。到达床层表面时,大颗粒仅表层被干燥,温度与中心温度具有明显差异;干燥部分占整体体积较小,如100mm颗粒干燥层所占体积分数为3.24%,不会对于燃烧效率造成显著影响。关键词:CFB锅炉;煤泥;给料参数;燃烧行为中图分类号:TQ536　　　文献标志码:A　　　文章编号:0253-9993(2015)07-1628-06收稿日期:2014-08-18　　责任编辑:张晓宁　　基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2012CB214900)　　作者简介:尹炜迪(1990—),男,河北南皮人,博士研究生。Tel:[phone],E-mail:[e-mail]。通讯作者:吕俊复(1967—),男,辽宁复县人,教授。Tel:[phone],E-mail:[e-mail]tionbehaviorinCFBboilerYINWei-di1,LIBo1,2,WUYu-xin1,YANGHai-rui1,LIUQing1,LÜJun-fu1,ZHAOJin-yang2(1.KeyLaboratoryforThermalScienceandPowerEngineeringoftheMinistryofEducation,DepartmentofThermalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing　100084,China;2.ElectricPowerPlanningandEngineeringInstitute,Beijing　100120,China)Abstract:Inordertocalculatethesportsanddryingprocessofcoalcombustionbehavior,amodelwasdevelopedtocalculatethecoalslimemotionandtheinsidetemperatureofthecombustionbehaviorunderdifferentconditionsbasedontheone-dimensionalverticalmotionandshrinkingevaporationinterfaceassumptions.Theresultsshowthatthecoalslimemotionisrelatedtotheparticlesize.Fineparticlesmoveupwardafterfeeding,smallparticlesareburntstablyatacertainheight,whilethelargeparticlesreachthebedsurface.Thestabilizationtimehasapeakwhiledecreasesastheparticlesizeincreasesduetothebedmaterialdistribution.Thelargeparticlevelocitiesdecreaserapidlybeforereachingthebed.Thevelocitiesof200mmparticlesare1-2m/s.Theshocktoboilerisnotsignificant.Onlythesur-facesofthelargeparticleshavebeendriedwithadistincttemperaturedifferencewiththecores.Thedriedregionisonlyasmallproportionoftheparticle,forexample,thevalueofthe100mmparticleis3.24%.Thus,itwillnotsignif-icantlyaffectthecombustionefficiency.Keywords:CFBboiler;coalslime;feedingparameter;combustionbehavior　　煤泥泛指煤粉含水形成的半固体物,是煤炭生产过程中的一种副产品,其堆积形态极不稳定,作为废料废弃,易造成环境污染[1]。同时煤泥具有高持水性、高灰分、低热值的特点,不宜进行复杂处理,采用第7期尹炜迪等:循环流化床锅炉煤泥燃烧行为模型输送燃烧是一种可靠的规模化处理煤泥的手段。循环流化床(CFB)锅炉具有良好的燃料适应性,是燃烧煤泥的一种有效方式,其相关问题已有学者进行了研究[2-6]。当前,采用输送方式的燃煤泥CFB锅炉的给料方式主要有:①炉顶泵送或刮板式给料;②中部喷射或泵送给料;③底部密相区泵送喷射给料[6]。煤泥给料过程中,为保证输送管道不堵塞,通常在保证泵压下采用较大的管道直径。给料进入的煤泥形成较大的煤泥团,到达炉膛底部时,可能会影响床层的稳定性。此外,煤泥颗粒在炉膛内部受热,其表面首先被干燥,如干燥表层在下落过程中被磨损,形成的微小颗粒扬析进入飞灰,会影响燃煤泥CFB锅炉燃烧效率[7]。因此,需要深入研究煤泥在炉膛内部的下落过程。当前,已有学者研究了高水分低品质燃料,如水煤浆和泥煤的干燥和燃烧过程:Levi-Hevroni及A．Levy构建了湿颗粒和水煤浆的气力输送条件下的运动和干燥过程的一维模型,并与实验结果进行了对比[8-9];Agrawal等研究了流化床中颗粒的干燥过程[10];Omar等研究了不同粒径泥煤在流化床密相区燃烧不同阶段的温度变化[11];KijoKleczkowska等研究了流化床中不同煤种的水煤浆悬浊液的燃烧特性[12]。但目前,干燥与燃烧模型建立与验证过程一般针对于微米级和毫米级的小粒径物料,其与给入CFB炉膛内部的煤泥颗粒的粒径条件和运动特性明显不同[13]。同时,需要结合CFB锅炉炉膛内部床料分布特性分析煤泥在炉膛内部的运动和传热传质过程,而当前对于该问题的研究仍然较少。基于此,本文建立了针对CFB锅炉炉膛内煤泥颗粒运动与其内部传热传质的耦合模型,模拟了CFB锅炉内煤泥燃烧行为中的运动与干燥过程,分析了不同给料方式对其的影响。1　模型的建立煤泥在CFB锅炉炉膛内的物理过程可以描述为:煤泥给入后,下落过程受到气体的曳力、床料的作用和重力的影响,在炉膛内部干燥、脱挥发分并燃烧。干燥过程中,颗粒内部的水分不足以补充蒸发的消耗,蒸发可能在内部发生。颗粒表层逐渐形成水分较低的干区,内部形成水分较高的湿区,如图1所示,图中rv为蒸发界面半径,Rp为颗粒半径。随干燥的进行,蒸发界面逐渐内移直至干燥完全并进入随后阶段。针对该物理过程,对煤泥在CFB锅炉炉膛内运图1　煤泥干燥的物理过程Fig．1　Dryingprocessofcoalslime动和干燥过程做以下假设:(1)运动过程采用一维简化,炉膛内部的气固两相混合物简化为下部密度较高、上部密度较低的气固混合物。颗粒在其中受到床料颗粒相与煤泥颗粒的浮力、曳力和重力,沿高度方向构建一维模型;(2)煤泥结构简化为由惰性介质和水组成的球体,满足各向同性条件,若惰性介质与水密度近似相同,则惰性介质的孔隙率近似等于煤泥含水率。在干燥过程中,煤泥形状不发生变化;(3)颗粒内部不同物质(液态水、水蒸气、烟气、固相介质)在同一个位置达到热平衡,即同一个位置,具有相同的温度;(4)干燥过程中,干区只存在水蒸气、烟气和惰性介质;湿区只存在水分和惰性介质,水分呈自由态并均匀分布;干湿区界面为蒸发界面,其生成水蒸气并不断内移;(5)干燥过程中,干区压力与外界压力相同;(6)炉膛内部温度不变,外界向颗粒的传热过程是水分蒸发过程的惟一热源。1．1　运动方程通过物理过程假设,建立煤泥的运动方程为duPdτ=FD(u-uP)+g(ρP-ρb)ρP(1)式中,u为流化风速;uP为颗粒速度;ρb为气固两相流的密度;ρP为煤泥颗粒密度;τ为时间;FD为颗粒的阻力项系数,其形式为FD=18μbρPd2PCDRe24(2)其中,Re为颗粒的雷诺数;μb为气固两相流的动力黏度系数;dP为颗粒直径;CD为气固两相流的阻力系数,其根据单颗粒的阻力系数CDs进行修正,修正系数以床层空隙率εb为参数[14],即CD=CDsf(εb)(3)CDs=24Re(1+0．15Re0．687)　　(Re1000)0．44　　(Re1000){(4)9261煤　　炭　　学　　报2015年第40卷　　床料密度按2600kg/m3考虑,由实验确定炉膛内部不同高度的空隙率,亦即炉膛不同高度位置上气固混合物的密度,结果如图2所示。图2　炉膛中气固混合物密度随高度的变化曲线Fig．2　Gas-solidmixturedensityvariationwiththeheightinfurnace1．2　湿区传热传质方程蒸发界面开始温度逐渐升高至100℃,蒸发由扩散控制,蒸发速率m″v为m″v=-ρvD∂Yw∂r+hm,drρvdYw(5)式中,ρv为蒸发界面的水蒸气密度;r为颗粒当地半径;hm,dr为蒸发界面对流传质系数;Yw为水蒸气质量分数;D为水蒸气的扩散系数。蒸发界面温度上升至100℃后,热量均用以相变蒸发,传热量q″v为q″v=-λv∂t∂r+hdrdt(6)式中,λv为水蒸气导热系数;hdr为蒸发界面对流换热系数;t为颗粒当地温度。蒸发速率m″v为m″v=q″vhf-g(7)式中,hf-g为水的蒸发潜热。考虑颗粒孔隙率εp,蒸发界面迁移速度为drvdτ=m″v4πr2vεpρw(8)式中,ρw为水的密度。由能量守恒方程得到湿区内部的传热方程为1r2∂∂r[λc(1-εp)+λwεp]r2∂t∂r{}=ρpcpp∂t∂τ(9)式中,λc为固相介质的导热系数;λw为液态水的导热系数;cpp为煤泥颗粒的比热容。1．3　干区传热传质方程干区传质由Fick扩散定律控制,其形式为∂(ρgYw)∂τ=-1r2∂∂r(ρgugYwr2)+1r2∂∂rr2ρgD∂Yw∂ræèöø(10)式中,ρg为颗粒内烟气相密度;对流项速度ug由等压假定得到ug=m″vρgr2vr2(11)　　则式(10)简化为∂(ρgYw)∂τ=-m″vr2vr2∂Yw∂r+1r2∂∂rr2ρgD∂Yw∂ræèöø(12)　　由能量守恒方程,得到干区传热方程为∂∂τ{{εp[ρgYwcpv+ρg(1-Yw)cpf]+(1-εp)cpc}t}=