煤粉燃烧飞灰含碳量研究范文

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《热能动力工程杂志》2014年第三期

1带灰层扩散阻力的焦炭燃烧模型

如图1所示，直径为d的焦炭颗粒燃烧时(此时水分、挥发份已析出完毕)，最外层会形成一层气膜，往里是多孔灰层，中间为未燃烧的碳核，直径为dc。随着燃烧的进行，灰层慢慢变厚，dc慢慢变小，直到未燃烧碳核完全燃尽dc=0为止。以氧气和焦炭反应为例，假定氧气和焦炭反应全部生成CO，即C+0．5O2→CO。氧气要到达颗粒中心与未燃烧的碳核反应，必须穿透颗粒表面的气膜和多孔的灰层，氧气在穿透气膜和灰层的过程中浓度会逐渐降低。假定气膜外表面即气相空间中的氧气浓度为C∞，灰壳外表面的氧气浓度为Ca，碳核外表面的氧气浓度为Cc。氧气的消耗速率与碳核表面积，动力速率以及表面的氧气浓度成正比:

2计算实例

计算对象为某电站1025t/h亚临界锅炉，如图2所示。该炉膛设计采用的是一、二次风同心反切燃烧技术，四角切圆燃烧方式和供风喷口具体布置情况如图3所示。A、B、C、D、E分别为5层一次风喷口(本次运行工况中E为关闭状态)，其它均为二次风喷口。表2－表4分别给出了计算煤种成分分析、供风参数和计算时用的粒径分布。主要模型设置:k－ε湍流模型，有限速率/涡耗散气相反应，P－1辐射模型，湿燃烧模型模拟水分蒸发过程，双竞争反应模型描述挥发份析出速率，多表面反应模型计算焦炭反应速率。根据前面所建立的带灰层扩散阻力的缩核燃烧模型，将该模型用自定义颗粒表面反应速率的方式(调用用户自定义函数中的DEFINE_PR_RATE宏)覆盖FLUENT自带的表面反应速率模型。

3计算结果

表5给出了FLUENT自带的焦炭燃烧模型和改进模型与测试结果的对比。可以看出，自带模型由于忽略了灰层对燃烧气体的扩散阻力，求得的飞灰含碳量仅为0．1%，几乎完全燃尽，与测试结果2．2%有本质区别。而改进模型求得的飞灰含碳量为3．1%，与测试结果较为接近。此外，自带模型和改进模型求得的炉膛出口O2体积百分比分别为3．0%和3．3%，与测试结果3．2%都比较接近，一个略偏低，一个略偏高，都在±10%误差范围内，完全可以接受。图4和图5分别为自带模型和改进模型算出的温度场分布，可以看出，由于自带模型的焦炭燃烧速率过快，在接近煤粉喷口的地方温度就迅速达到1902K，到接近炉膛出口，由于煤粉已经基本燃尽，不再释放热量，温度下降到1079．7K。相比之下，改进模型的焦炭燃烧稍慢，但更加持久，在炉膛中心最高温度也就1713．4K，而接近炉膛出口时由于焦炭尚未燃尽，尚可释放化学能，温度为1117K，比自带模型要高约40K。由此可见，加入了灰层扩散阻力的新模型使焦炭整个燃烧过程变得匀速而持久。图6和图7分别为自带模型和改进模型的D层燃烧器横截面上的速度场。可以看到，自带模型该截面上的最高速度为34．85m/s，较改进模型的33．34m/s要大。这是由于自带模型焦炭燃烧较快，局部气体温度更高(如图4和图5所示)，所以剧烈的气体膨胀引起更高的气流速度。

4结论

为了考察改进模型的准确度，对某1025t/h锅炉分别用自带焦炭燃烧模型和改进模型进行试算，结果表明:(1)自带模型由于忽略了灰层对燃烧气体的扩散阻力，求得的飞灰含碳量仅为0．1%，改进模型求得的飞灰含碳量为3．1%，与测试结果2．2%更为接近。可见，改进模型修正了自带模型容易“完全燃尽”的弊端，飞灰含碳量更加符合实际情况。(2)自带模型和改进模型求得的炉膛出口O2体积百分比分别为3．0%和3．3%，与测试结果3．2%都比较接近，误差在±10%范围内。(3)与自带模型相比，改进模型预测的炉膛温度场分布更均匀，炉膛中心最高温度较低而炉膛出口温度更高。

作者：陈世和朱亚清罗嘉季俊杰单位：广东电网公司电力科学研究院上海开利研发中心