生物质燃烧机下摆时冷灰斗内结渣的试验和数值模拟

搞要：大型四角切圆燃烧锅炉广泛采用摆动式生物质燃烧机，但如设计不当，生物质燃烧机下摆会导致严重的冷灰斗结渣事故。该文对生物质燃烧机摆动条件下冷灰斗内的灰渣沉积特性进行研究，对生物质燃烧机水平和下摆条件下的冷灰斗内结渣情况进行了试验研究，获得了生物质燃烧机下摆时冷灰斗内灰渣沉积规律，结合炉内结渣过程的数值模拟，采用随机轨道模型跟踪大量颗粒，综合考虑颗粒和壁面的碰撞频率，粘结效率和渣层特性，模拟了生物质燃烧机下摆条件下冷灰斗内结渣特牲。

1引言

    大型四角切圆燃烧煤粉锅炉多采用摆动式燃烧器以调节再热汽温，生物质燃烧机可在上下方向±20。～300的范围内摆动，具有调温幅度大，调节灵敏，设备简单，不需要增加附加受热面和功率消耗等优点。当负荷较低或炉膛吸热较多时，生物质燃烧机喷口向上摆动。负荷较高或因炉内沾污而使炉膛出口烟气温度升高时，生物质燃烧机向下摆动[1]。

    运行实践表明，摆动式生物质燃烧机运行过程中如上倾角过大，会增加不完全燃烧损失，飞灰可燃物增加0.5%～1%，排烟温度约增加5%～8%[1]。对于低灰熔点的燃料，还会引起过热器或再热器结渣，低负荷时上倾角过大还会发生燃烧不稳。而下倾角过大，可能会引起冷灰斗结渣，甚至产生煤粉沉积，积存量大时可能会引起炉内爆燃。

    本文根据某厂600 MW锅炉按模化理论建立试验台，对生物质燃烧机水平和下摆条件下的冷灰斗内灰渣沉积特性进行试验分祈，同时结合炉内结渣过程的数值模拟，采用随机轨道模型跟踪大量颗粒，综合考虑颗粒和壁面的碰撞频率、渣层特性和粘结效率，研究生物质燃烧机下摆条件下的冷灰斗内结渣过程。

2试验研究

    某厂600 MW燃煤锅炉采用四角布置摆动式燃烧器，有关结构和设计参数见文[2]。按模化理论建立冷模试验台架进行冷态模化试验，采用平衡通风，炉膛维持微负压并保证炉内流动进入第二自模化区。试验遵循气固多相流动模化准则‘3]，选取一种模拟煤粉颗粒的固体电解质（如NaCl），按气固多相模化准则模化。将碾磨筛分后的固体电解质从模型四角下一次风喷口中送入炉内，在冷灰斗壁面上布置均匀涂有粘附剂的取样滤纸，当粒子碰撞到冷灰斗壁面上时，被粘附捕捉。试验后将滤纸分割成等面积小块以去离子水溶解、过滤，对溶解液进行电导率常数测定。由于溶液电导率与溶液中电解质浓度呈单调上升关系，可获得冷灰斗壁面上不同位置颗粒沉积的质量和相对量。

    在设计配风条件下进行了生物质燃烧机下摆和水平时不同粒径颗粒在冷灰斗内的沉积特性试验，具体工况如表1所示。表中工况1和工况2为生物质燃烧机下摆至最低位置，采用不同示踪粒径时冷灰斗内的总沉积量占喷入炉内试样的百分比。而工况3为燃烧器水平时冷灰斗内试样的沉积量，可见冷灰斗内的颗粒沉积受粒径和生物质燃烧机下摆两个因素影响。图1示出了各工况下前墙冷灰斗壁面上的试样分布特性。可见生物质燃烧机下倾时，冷灰斗内粒子沉积量比燃烧器水平时明显增加，而生物质燃烧机下倾角度相同，配风相同，粒子粒径越大，沉积量越大，但粒子沉积分布情况基本相同，如图1中(a)、(b)对比。

    冷态模化试验模拟热态过程，必然存在误差，如实际热态运行锅炉申一次风出口煤粉颗粒处于燃烧过程，颗粒直径不断减小，热态下炉内向上流动明显，落入冷灰斗固体颗粒比例会明显减少等。但考虑到试样本身存在颗粒细度分布，通过工况1、2的对比试验表明固体颗粒粒径不同时，在冷灰斗内的沉积分布情况基本相同，说明模化试验方法还是能在一定程度上模拟冷灰斗内粒子的沉积过程和分布规律。

 3数值模拟方法

    考虑到热态燃烧时煤粉颗粒的流场与炉内冷热态气相流场之间的差别较大，特别是热态条件下气流向上流动的趋势明显，采用了数值模拟方法对生物质燃烧机摆动条件下冷灰斗内的煤粉结渣特性进行了热态三维模拟。

    影响炉内结渣过程的主要因素为：①煤自身的结渣性能；②灰粒向壁面的输运过程；③灰粒在壁面的粘附生长；④结渣对炉内温度场和气相流场的反作用。其中煤自身的结渣性能主要受煤中矿物质存在形态的影响，而灰粒向壁面的输运机理主要有如下4种：惯性迁移（>lOjim颗粒）、热迁移（<lOUm颗粒）、凝结和非均相反应（<Ⅵm颗粒）[4]。初始渣层形成后，其低的热传导性导致渣层表面湿度高，后续输送到壁面的灰粒就容易形成物理和化学机理粘附，其化学机理是指气体与渣本身发生硫化、碱化和氧化等反应而使渣层增厚。渣层的形成将提高炉内温度水平，当形成厚渣后，还会影响气相流场，形成恶性循环。

    数值模拟结渣过程，主要考虑了以下两个指标：①颗粒与壁面的碰撞频率；②粘结效率。炉内绝大部分的颗粒都是以惯性机理到达壁面，但烟气湍流脉动在颗粒输运中也起到重要作用，颗粒在湍流涡中吸收能量，达到边界层时，如能量未耗尽，则颗粒会穿过边界层到达壁面。到达壁面的颗粒并非全部粘在壁上，粘结效率受渣层和颗粒形态影响，即渣层和颗粒的温度、粘性和组分。

    结渣过程的模拟建立在锅炉炉内三维流动、传热和燃烧过程模拟的基础上，采用“后处理”的方法进行。结渣对炉内温度的影响采用灰污系数在温度场计算中考虑。数值模拟进行了生物质燃烧机水平和燃烧器下摆50两个工况的炉内流场、温度场、气相场和冷灰斗内结渣过程。采用随机轨道模型跟踪大量颗粒以计算颗粒碰壁情况，考虑了颗粒所受各种力的作用‘6]，综合考虑了颗粒的惯性迁移、湍流耗散和热迁移对颗粒输运过程的影响。

    图2示出了生物质燃烧机水平和下摆条件下的炉内纵截面流场，可见热态流场存在明显的向上气流，同时冷灰斗内明显存在漩涡，这一点也被冷模试验所证实；图3示出了水平和下摆工况下炉膛中心线上温度计算值和试验值的比较，可见下摆导致燃烧中心有所下移，炉膛下部温度提高；图4示出了水平和下摆条件下炉膛中心截面的氧量分布，可见由于生物质燃烧机下摆导致炉膛下部的氧气浓度有所下降；图5为计算获得的冷灰斗内颗粒粘附特性，通过燃烧器水平摆动和向下摆动条件下冷灰斗内结渣对比，能给出一定的具有指导意义的趋势。

4结论

    (1)通过冷态模化试验，向炉内喷试样模拟固体颗粒在冷灰斗内沉积过程，能在一定程度上反映颗粒与冷灰斗壁面的碰撞概率，但由于粘附层的粘结效率为．同时冷态模化过程中炉内向上气流弱，试验值偏大。

    (2)摆动式生物质燃烧机的锅炉炉内气相流场对冷灰斗内的结渣过程有重要影响，生物质燃烧机下摆条件下如下层二次风承托能力不够，会导致冷灰斗内固体颗粒大量沉积。

    (3)采用后处理方法模拟炉内结渣过程，利用随机轨道模型跟踪颗粒，综合考虑颗粒的各种受力，计算颗粒与壁面的碰撞频率和粘结效率，能比较好地分析生物质燃烧机摆动条件下的冷灰斗内结渣过程。

    (4)由于结渣过程十分复杂，牵涉到物理、化学多种机理，特别是粘附过程的模拟尤为复杂，对颗粒粘度的计算方法、粘结概率模型等有待进一步研究和深化。