運行參數變化對水煤漿流化燃燒過(guò)程的影響

第22卷第2期潔凈煤技術(shù)Vol 22 No. 22016年3月Clean Coal Technology2016運行參數變化對水煤漿流化燃燒過(guò)程的影響劉絲雨,劉安源2,馬玉峰(1.浙江大學(xué)能源工程學(xué)院,浙江杭州310058;2中國石油大學(xué)(華東)儲運與建筑工程學(xué)院,山東青島2665803.中石化勝利發(fā)電廠(chǎng),山東東營(yíng)257087)摘要:為了深入了解水煤漿流化燃燒過(guò)程的規律,以“小室”為基礎,結合流化床內氣固兩相流動(dòng)及傳熱、水煤漿燃料的熱解、揮發(fā)分及焦炭燃燒、污染物生成等子模型,建立了水煤漿在流化床鍋爐中燃燒的綜合數學(xué)模型。分析了當水煤漿流化燃燒裝置鍋爐負荷、過(guò)量空氣系數及燃料中的揮發(fā)分份額等參數發(fā)生變化時(shí)爐內有關(guān)參數沿爐膛高度方向的變化規律。研究結果表明,與燃煤流化床鍋爐相比,水煤漿燃燒鍋爐爐膛底部的溫度明顯較低。另外,鍋爐負荷越大,爐內溫度越髙,燃燒條件越好;過(guò)量空氣系數對燃燒的影響并不是單調變化關(guān)系;煤種揮發(fā)分越高越有利于燃料的燃燒。關(guān)鍵詞:水煤漿;流化燃燒;小室模型;綜合數學(xué)模型;模擬分析中圖分類(lèi)號:TQ534.4文獻標志碼:A文章編號:1006-6772(2016)02-0079-05Effects of operating parameters on fluidization combustionprocess of coal water slurryLIU Siyu, LIU Anyuan, MA Yufeng,(1. School of Energy Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 2. School of Pipeline and Civil Engineering, China University ofPetroleum Qingdao 266580, China; 3. Shengli Power Plant, Sinopec Group, Dongying 257087, China)Abstract: In order to understand the fluidization combustion process of CWS deeply, combining two-phase flow and heat transfer, pyrolysisof CWS, combustion of volatile and char and pollution generation models, the comprehensive mathematical model for fluidization combustionprocess of CWS was established on the basis of compartments. By means of the model, the axial changing characteristics of some parametersin the furmace were simulated and analyzed when the operating parameters of boilers changed. The results showed that, compared with thetemperature of fumace bottom of coal-fired fluidized bed boiler, that of CWS boiler was obviously lower. Higher boiler load and furmacetemperature as well as higher volatile of coal helped to create better combustion condition. The influence of excess air coefficient on com-bustion was not monotonic functionKey words: coal water slurry fluidization combustion; compartment model; comprehensive mathematical model; simulation analysis0引言技術(shù),但由于水煤漿燃料中含水量較高,且燃燒產(chǎn)生的灰渣在高溫時(shí)會(huì )發(fā)生灰渣熔融現象,因此霧化燃水煤漿是一種煤基液體燃料,由65%-70%的燒技術(shù)在一定程度上存在著(zhù)燃燒穩定性及結焦問(wèn)煤粉、30%~35%的水和少量化學(xué)添加劑加工制成。題。流化燃燒技術(shù)由于具有優(yōu)越的燃燒穩定性能及由于水煤漿可以像燃料油一樣易于裝卸、儲存和管低溫燃燒特點(diǎn)能夠比較容易地解決水煤漿燃燒的道輸送,并且價(jià)格低廉、燃燒效率高、燃燒污染小,因穩定性及結焦冋題,目前在國內也得到了一定的應而被廣泛地應用于各種鍋爐和工業(yè)窯爐燃燒用°。相比水煤漿霧化燃燒技術(shù)研究,到目前為目前水煤漿在鍋爐中的燃燒方式主要采用霧化燃燒止,對水煤漿流化燃燒技術(shù)的研究還較少。鑒于此,收稿日期:2015-1-08;責任編輯:孫淑君DO1:10.13226/j.isn.1006-6712.2016.02.017作者簡(jiǎn)介:劉絲雨(1994-),女,山東東營(yíng)人。E-mlil:Sipulin94l0@163.com。通訊作者:劉安源副教投博士,從事煤燃燒技術(shù)及氣固兩相流方面的教學(xué)與科研工作。E-mail:ayi@163.com中國煤化工引用格式:劉絲雨劉安源,馬玉峰運行參數變化對水煤漿流化燃燒過(guò)程的影響[J潔凈煤技JU Siyu, LIU Anyuan, MA Yufeng. Effects of operating parameters on fluidization combusCNMHGua,L JJ. clean Coal Technolqgy,2016,22(2):79-832016年第2期潔凈技術(shù)第22卷本文擬通過(guò)建立水煤漿流化燃燒過(guò)程的數學(xué)模型來(lái)方向按照需要劃分為多個(gè)“小室”。爐膛小室劃分模擬分析有關(guān)運行參數改變對流化燃燒過(guò)程的影響情況如圖1所示。規律。模擬結果將對于水煤漿流化燃燒裝置的設計及運行優(yōu)化具有一定理論指導作用。1水煤漿流化燃燒數學(xué)模型爐膛流化燃燒數學(xué)模型按照其流動(dòng)過(guò)程處理方法的1小室不同可以分為兩大類(lèi),即基于“塞狀流”或“環(huán)-核”i小室氣固兩相流動(dòng)經(jīng)驗公式的流化床燃燒總體數學(xué)模1小室型與基于 Navier- Stokes方程的二維或三維流化床燃燒模型s?；凇叭麪盍鳌被颉碍h(huán)-核”氣固兩俟費=-…相流動(dòng)經(jīng)驗公式的流化床燃燒總體數學(xué)模型由于模煙氣型求解計算量較小,同時(shí)對于各子過(guò)程的描述又建立在相對簡(jiǎn)單、成熟的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式之上,因而使模型既具有較高的精度又穩定可靠。目前,該種燃燒建圖1鍋爐“小室”劃分情況模方法在國內外流化燃燒過(guò)程數學(xué)模型研究中得到Fig. I Division of compartments in a CWS-fired boiler了較為廣泛的應用對于爐膛中水煤漿滴的爆破,本文采用了簡(jiǎn)化處水煤漿流化燃燒綜合數學(xué)模型以“小室”為基理方法,即認為漿滴在加入床層之后,便迅速破碎并礎3。所謂“小室”( Compartment)是沿氣體和固磨損為粒徑均勻的碳顆粒,此后粒徑不再發(fā)生變化。體的主要流動(dòng)方向將流化床燃燒室劃分成的一系列另外,對于水煤漿流化燃燒鍋爐,由于在單位時(shí)間內內部各相關(guān)參數均勻的小空間。通過(guò)考慮各小室內的底部排渣量為0,因此,單位時(shí)間加入爐內的灰分的氣固相反應及其與小室外相鄰小室之間的質(zhì)量和質(zhì)量應等于離開(kāi)分離器的煙氣帶走的飛灰質(zhì)量能量交換建立每個(gè)小室的質(zhì)量及能量平衡方程,全部小室的質(zhì)量和能量守恒方程構成了流化燃燒的綜2模擬結果及分析合數學(xué)模型。以小室為基礎,流化床燃燒綜合數學(xué)2.1模擬裝置介紹模型將描述流化床內流動(dòng)、傳熱、燃燒以及污染物排本文模擬的水煤漿流化燃燒鍋爐是為勝利油田放等過(guò)程的半經(jīng)驗或經(jīng)驗公式有機地與“小室”上某鍋爐房設計的,用于冬季生活小區供暖。鍋爐設建立的一系列守恒方程相結合。計熱負荷為14MW,送風(fēng)溫度為20℃,過(guò)量空氣系本文在建立流化燃燒數學(xué)模型時(shí)把爐膛密相區數為1.2。該鍋爐設計燃料為水煤漿,其工業(yè)分析單獨作為一個(gè)“小室”來(lái)處理,稀相區則沿爐膛高度與元素分析見(jiàn)表1。表1設計水煤漿燃料的工業(yè)與元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of Cws fuel used in boiler工業(yè)分析元素分析(Ca)%(Ha)/%v(O4)/%m(N4)/%(Sd)/%32.905.6423.75850.573.276.130.930.5618877燃燒過(guò)程中所需空氣分兩股進(jìn)入燃燒裝置,料裝置送入下部密相區,并在密相區中處于流化狀股作為一次風(fēng)經(jīng)風(fēng)箱由布風(fēng)板進(jìn)入燃燒室下部密相態(tài)下惰性物料的加熱下迅速著(zhù)火燃燒。燃燒后產(chǎn)生區,使物料處于流化狀態(tài)。另一股經(jīng)設于燃燒室密的熱煙氣攜帶部分床料與著(zhù)火燃燒后的水煤漿滴形相區上部的二次風(fēng)系統送入燃燒室稀相區,強化熱成的顆粒團rV中國煤化工裝置,較大固體煙氣的擾動(dòng)與混合。顆粒被分離HCNMHG密相區實(shí)現循燃燒用水煤漿由設有空氣吹掃與冷卻功能的加環(huán)燃燒。經(jīng)分離器分離后的熱煙氣進(jìn)入后置的對流劉絲雨等:運行參數變化對水煤漿流化燃燒過(guò)程的影響2016年第2期管束換熱。2.2鍋爐負荷變化的影響130%負荷鍋爐實(shí)際運行時(shí)經(jīng)常會(huì )在偏離設計負荷的狀態(tài)下工作。為了研究鍋爐負荷變化對鍋爐燃燒特性的3影響,分別對額定負荷、70%額定負荷以及130%額定負荷3種情況進(jìn)行了模擬。在進(jìn)行鍋爐負荷變化的模擬時(shí)所用燃料以及過(guò)量空氣系數等運行參數床料含碳量/(kg·kg")保持不變。2.2.1負荷變化對爐內溫度的影響圖3負荷變化對爐內飛灰含碳量的影響負荷變化對爐內溫度的影響規律如圖2所示。Fig 3 Effects of load on char content in flying ash可以看出,水煤漿流化燃燒爐膛內的溫度分布呈中2.2.3負荷變化對爐內CO氣相成分的影響間高兩頭低的形狀。這是因為在爐膛的底部,燃料圖4為爐膛煙氣中CO體積份額的變化規律。剛被加入,由于燃料本身需要被加熱,并且模擬的水煙氣中的CO有2個(gè)主要來(lái)源,一是煤顆粒析出的煤漿燃燒鍋爐的一次風(fēng)不經(jīng)過(guò)預熱,因此爐膛底部揮發(fā)分中所包含的;二是煙氣中的CO2氣體也會(huì )與溫度較低。在爐膛的更上一些位置,由于在底部析固體C發(fā)生還原反應生成CO。CO的消耗則是由出的揮發(fā)分開(kāi)始大量燃燒,用于加熱床料的熱量增其與氧氣進(jìn)行氧化燃燒反應,從CO的分布曲線(xiàn)可加,因此爐膛的溫度也較高。在爐膛的頂部,此時(shí)固以看出,在爐膛溫度最高區域存在一個(gè)CO濃度最體床料中的可燃成分所占份額減少,燃燒放熱量也低處,這是由于該處溫度較高、氧氣較充分使CO氧減少,因此爐膛溫度開(kāi)始降低?；磻^強造成的。在爐膛底部,由于該處揮發(fā)分釋放的CO較多,并且由于溫度低,CO氧化反應速70%負荷度較小,因此CO濃度較高。在爐膛頂部,則由于溫100%負荷E 5130%負荷度較低,氧化反應較弱,CO濃度有所回升。7654006008001000120014001600爐內溫度/℃C圖2負荷變化對爐膛溫度的影響ig, 2 Effects of load on fumace temperatureCO濃度/10在負荷增加時(shí),可以看出爐膛內部各處的溫度圖4負荷變化對爐內CO濃度的影響均整體升高。特別是在爐膛的底部,燃燒放熱量增Fig. 4 Effects of load on CO concentration in furnace加引起的爐膛底部的溫度升高尤為明顯。反之,當另外,隨鍋爐負荷的增加,鍋爐煙氣中CO濃度鍋爐負荷降低時(shí),各處爐膛溫度均整體降低。分布規律基本相同,但CO濃度數值均整體升高。2.2.2負荷變化對飛灰含碳量的影響23過(guò)量空氣系數變化的影響圖3為鍋爐負荷發(fā)生變化時(shí),爐內飛灰含碳量模擬過(guò)量空氣系數變化時(shí),保持燃料特性不變,的變化規律?？梢钥闯?在設計負荷下,由于爐內鍋爐處于額定負荷工況給漿量下工作。的炭在不斷燃燒,因此爐膛中的飛灰含碳量從底2.31過(guò)量空氣系數變化對爐內溫度的影響部到頂部逐漸減少。對比不同負荷時(shí)的情況可過(guò)量空氣系數變化對爐內溫度影響如圖5所知,在過(guò)量空氣系數保持不變的情況下,負荷越示。從圖5可看出,隨著(zhù)過(guò)量空氣系數a的增加高,爐內飛灰含碳量的份額整體降低;反之,負荷爐內整體溫嚴時(shí)控溫在爐膛底部越低,爐內飛灰含碳量的份額整體升高。上述現和頂部隨a中國煤化工。在爐膛底象是由于負荷升高時(shí)爐內溫度升高,焦炭燃燒速部,當α增加…山,NM只黑增加,床溫會(huì )度加快造成的。隨α增加而降低;但在爐膛頂部,由于α加大時(shí),812016年第2期潔凈媒技術(shù)第22卷燃料的燃燒過(guò)程會(huì )向后延遲,因此爐溫會(huì )隨α的2.4燃料揮發(fā)分變化的影響增加而增加。模擬燃料收到基揮發(fā)分變化對燃燒特性的影a=1.0響,假定燃料灰分保持不變,燃料揮發(fā)分與固定碳的a=1.2a=1.4總和保持不變。同時(shí),鍋爐負荷及過(guò)量空氣系數均為額定工況參數。2.4.1燃料揮發(fā)分變化對爐內溫度的影響揮發(fā)分變化對爐內溫度的影響如圖8所示。從圖8可以看出,當揮發(fā)分增加時(shí),由于揮發(fā)分比較容400600800100012001400易燃燒,燃燒初期的爐膛溫度較高,使得后面焦炭的爐內溫度/℃燃燒反應速度增加,因此在整個(gè)爐膛高度上的溫度圖5過(guò)量空氣系數變化對爐內溫度影喲均會(huì )整體增加。Fig. 5 Effects of air coefficient on furnace temperature2.3.2過(guò)量空氣系數變化對飛灰含碳量的影響6V=20%過(guò)量空氣系數變化對爐內飛灰含碳量影響如圖日56所示。從圖6中可以看出,當a過(guò)大或過(guò)小時(shí),飛灰的含碳量均較高,在α為1.2左右時(shí)的飛灰含碳量最低。這是因為當a太大時(shí),盡管氧氣充足但床溫較低;當α較小時(shí),盡管床溫較高,但氧氣的量較600800100012001400少;2種情況均不利于燃燒過(guò)程的進(jìn)行。爐內溫度℃→a=1.0圖8揮發(fā)分變化對爐內溫度的影響a1.2a=14Fig8 Effects of volatile content on fumace temperature另外,圖8中在距爐膛底部2~3m處不同揮發(fā)分燃料的爐膛溫度比較接近,這可能與本文假定所用燃料揮發(fā)分與碳含量之和不變有關(guān)。在距爐膛底部2~3m處,盡管低揮發(fā)分燃料的揮發(fā)分燃燒放熱00. 1020.30.4較小,但由于固定碳較高,其燃燒放熱量要多一些,飛灰含碳量(kg·kg)因此低揮發(fā)分與高揮發(fā)分燃料在該處的燃燒溫度相圖6過(guò)量空氣系數變化對爐內飛灰含碳量影響差不多。Fig 6 Efects of air coefficient on char content in flying ash2.4.2燃料揮發(fā)分變化對飛灰含碳量的影響2.3.3過(guò)量空氣系數變化對CO氣相成分的影響揮發(fā)分變化對飛灰含碳量影響如圖9所示。從過(guò)量空氣系數變化對CO濃度影響如圖7所圖9可以看出,由于揮發(fā)分增加時(shí),爐膛溫度也會(huì )隨示。圖7顯示隨著(zhù)過(guò)量空氣系數a的減小,由于氧之增加,焦炭的燃燒條件改善,燃燒反應速度增加,氣不充足,并且煙氣總量較小,因此煙氣中CO的體因此爐內飛灰的含碳量會(huì )隨揮發(fā)分的增加而減小。積份額增加。a=1.0a=1.26p20a=14y=30%0.4中國煤化工CO濃度/104圖7過(guò)量空氣系數變化對CO濃度影響CNMH(量影響Fig. 7 Effects of air coefficient on CO concentration in furnaceFig9 Effects of volatile content on char content in flying ash82劉絲雨等:運行參數變化對水煤漿流化燃燒過(guò)程的影響2016年第2期2.4.3燃料揮發(fā)分變化對CO氣相成分的影響Liu Jianwen, Xie Yuqing, Chen Nan. Research and application of揮發(fā)分變化對CO濃度的影響如圖10所示。preparation and combustion technology of efficient coal water mix-由圖10可看出,當爐內揮發(fā)分增加時(shí),由于煤顆ture[ J]. Clean Coal Technology 2015, 21(2): 35-39, 44[4]馬玉峰,李建強,萬(wàn)啟科.水煤漿燃燒技術(shù)及其發(fā)展[J].潔凈粒中釋放的揮發(fā)分增加,因此煙氣中CO的體積份煤技術(shù),2003,9(3):13-17額沿爐膛高度分布規律雖基本不變,但數值會(huì )有Ma Yufeng Li Jianqiang, Wan Qike. Coal water slurry combustion所增加。technology and its development J]. Clean Coal Technology, 2003765V=10%9(3):13-17V=20%[5]薄煜.水煤漿旋風(fēng)爐高溫低灰燃燒試驗及模擬研究[D].杭州:浙江大學(xué),2013Bo Yu Combustion test and simulation research of coal water slur-ry cyclone fumace with high temperature and low ash content[DHangzhou: Zhejiang University, 2013[6]馬玉峰,姜秀民,萬(wàn)啟科,等,水煤漿流化-懸浮燃燒技術(shù)在勝2利油田的應用[J].熱能動(dòng)力工程,2006,21(6):644-647CO濃度/10Ma Yufeng, Jiang Xiumin, Wan Qike, et al. Application of coal wa-圖10揮發(fā)分變化對CO濃度的影響ter slurry fluidizationon combustion technology in SherFig 10 Effects of volatile content on CO concentrationli oilfield[ J]. Thernal Energy and Power Engineering, 2006,21(6):644-6477]李政循環(huán)流化床鍋妒通用整體數學(xué)模型、仿真與性能預測3結論[D].北京:清華大學(xué),1994Li Zheng. General mathematical model, simulation and performance1)水煤漿流化燃燒過(guò)程總體數學(xué)模型以燃煤prediction of circulating fluidized bed boiler[ D. Beijing: Tsinghua循環(huán)流化床鍋爐總體數學(xué)模型為基礎,并針對水煤漿鍋爐不排渣連續運行的特點(diǎn)進(jìn)行了改進(jìn)。利用該[8]劉安源.流化床內流動(dòng)、傳熱及燃燒特性的離散顆粒模擬模型計算得到了爐內溫度、飛灰含碳量以及CO等[D].北京:中國科學(xué)院工程熱物理研究所,2002氣相組分沿爐膛高度的分布規律[9]劉安源,劉石,馬玉峰,等.流化床鍋爐熱煙氣點(diǎn)火過(guò)程的離散顆粒模擬[冂].中國電機工程學(xué)報,2005,25(3):120-1242)利用綜合數學(xué)模型對設計條件下鍋爐的工Liu Anyuan, Liu Shi, Ma Yufeng, et al. Discrete particle simulation作特性進(jìn)行了模擬分析。結果表明,與燃煤循環(huán)流of hot gas ignition process of a fluidized bed boiler[ J].Proceedings化床鍋爐相比,水煤漿燃燒鍋爐爐膛底部的溫度明of the Chinese Society for Electrical Engineering, 2005, 25(3)顯較低。120-124.3)模擬了鍋爐負荷、過(guò)量空氣系數及燃料揮發(fā)[10]王其成氣固流化床內流動(dòng)和傳熱特性的CFD模擬與相似性分等變化對鍋爐燃燒裝置工作特性的影響。結果表研究D]北京:中國石油大學(xué)(北京),2009[l肖顯斌楊海瑞,呂俊復,等.循環(huán)流化床燃燒數學(xué)模型[J]明,鍋爐負荷越大,則爐內溫度越高,燃燒條件越好;煤炭轉化,2002,25(3):11-1過(guò)量空氣系數對燃燒的影響并不是單調變化關(guān)系;Xiao Xianbin, Yang Hairui, Lyu Junfu, et al. Mathematical model當煤種揮發(fā)分越高時(shí),越有利于燃料的燃燒。of circulating fluidized bed combustion[J]. Coal Conversion2002,25(3):11-16參考文獻[12]沈來(lái)宏循環(huán)流化床燃燒數學(xué)模型及試驗研究[J.煤炭轉[1]岑可法,姚強,曹欣玉.煤漿燃燒、流動(dòng)、傳熱和氣化的理論化,1999,2(4):57-62與應用技術(shù)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,1997Shen Laihong. Mathematical model and experimental study of cir-[2]王柱勇,李燕君,張明中國水煤漿技術(shù)發(fā)展現狀及產(chǎn)業(yè)化culating fluidized bed combustion[ J ]. 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