CN101996260A - 数值模拟预测炉内结渣特性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种数值模拟预测炉内结渣特性的方法，其特征在于，包括下列步骤：建立燃料结渣特性基础数据；将结渣数值模拟模型添加到燃烧数值模拟模型中；结合炉内数值计算，预测炉内易结渣的位置及厚度。进一步的，本发明还将所述计算结果作为边界条件，对炉内燃烧进行三维数值计算，最终提取炉内的整体换热水平。本发明提出的数值模拟预测炉内结渣特性的方法，其能够更加准确的预测煤粉燃烧在炉内的结渣程度及换热。
Description
技术领域
本发明涉及煤粉锅炉的炉膛换热计算方法，且特别涉及一种数值模拟预测炉内结渣特性的方法。
背景技术
结渣对锅炉运行的经济性与安全性均带来不利影响，主要表现在如下一些方面：
(1)使运行经济性下降
1)受热面结渣后，使传热恶化，排烟温度升高，锅炉热效率下降；
2)燃烧器出口结渣，造成气流偏斜，燃烧恶化，有可能使机械未完全燃烧热损失、化学未完全燃烧热损失增大；
3)使锅炉通风阻力增大，厂用电量上升；
(2)影响锅炉出力
1)水冷壁结渣后，会使蒸发量下降；
2)炉膛出口烟温升高，蒸汽出口温度升高，管壁温度升高，以及通风阻力的增大，有可能成为限制出力的因素。
(3)影响锅炉运行的安全性
1)结渣后过热器处烟温及汽温均升高，严重时会引起管壁超温；
2)结渣往往是不均匀的，结果使过热器热偏差增大；对自然循环锅炉的水循环安全性以及强制循环锅炉的水冷壁热偏差带来不利影响；
3)炉膛上部渣块掉落时，可能砸坏冷灰斗水冷壁管，造成炉膛灭火或堵塞排渣口，使锅炉被迫停止运行；
4)除渣操作时间长时，炉膛漏入冷风太多，使燃烧不稳定甚至灭火。
现有技术中，煤粉锅炉在进行设计及校核计算时，燃料结渣对炉内换热影响的处理一般都是根据燃用燃料的特性及以往的经验数据假设一个炉膛的污染系数，在此基础上计算煤粉燃烧在炉内的换热水平。其计算结果往往误差较大，造成实际运行时一些重要参数无法达到设计要求，降低了燃煤机组的整体运行效率。
发明内容
本发明提出一种数值模拟预测炉内结渣特性的方法，其能够更加准确的预测煤粉燃烧在炉内的结渣程度及换热。
为了达到上述目的，本发明提出一种数值模拟预测炉内结渣特性的方法，包括下列步骤：
建立燃料结渣特性基础数据；
将结渣数值模拟模型添加到燃烧数值模拟模型中；
结合炉内数值计算，预测炉内易结渣的位置及厚度。
进一步的，将所述计算结果作为边界条件，对炉内燃烧进行三维数值计算，最终提取炉内的整体换热水平。
本发明提出一种数值模拟预测炉内结渣特性的方法，首先通过实验室测量建立不同燃料结渣特性的基础数据；在此基础上，将结渣数值模拟模型添加到燃烧数值模拟模型中，并结合炉内数值计算，预测炉内易结渣的位置及厚度；将计算结果作为边界条件，对炉内燃烧进行三维数值计算，最终可提取炉内的整体换热水平，因此本发明能够更加准确的预测煤粉燃烧在炉内的结渣程度及换热。
附图说明
图1所示为本发明较佳实施例的数值模拟预测炉内结渣特性的方法流程图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
结渣是复杂的物理和化学过程，国内外学者已做了大量研究，初步揭示了其形成的机理及与煤灰性质的关系，制定了若干用以判断煤灰结渣性的指数，同时揭示了锅炉设计和运行对结渣的影响。
1.1灰与渣的特性
煤灰的结渣性同灰的化学成分、灰渣的物理特性有关。现选择其中一些主要的指标详述如下。
1.1.1灰的熔化温度
灰熔温度同灰的成分有关，灰中的酸性氧化物，如SiO2，Al2O3和TiO2等都是聚合物的构成者，因此会提高灰的熔化温度；碱性氧化物则相反，如CaO，MgO和Na2O等都是聚合物的破坏者，会降低灰的熔化温度。但这种解释对含有大量碱性物的灰来说不适用，所谓“褐煤型灰”就会有大量CaO和MgO，其量比Fe2O3多得多，这些灰中的SiO2、Fe2O3、Na2O和K2O都会降低软化温度，而Al2O3、CaO和MgO却提高软化温度。美国对国内一些特定煤种，依据大量统计数据已建立了精确的灰熔温度与灰化学成分之间的关系，这样，根据灰中的碱性组分就可以确定灰熔点。
至于灰中铁的作用，要视其氧化状态而定，三价铁是聚合物的构成者，提高灰熔温度；二价铁则是聚合物的破坏者，降低灰熔温度。
灰的熔化温度在氧化氛围与还原氛围中是不同的，两者的差异是随着灰中CaO和MgO成分的增加而变小。
1.1.2渣的粘度
焦渣的粘度随温度而变化，温度升高，粘度变小，超过某一临界值时，焦渣便成液相，可在水冷壁表面形成一薄层而自由流动，焦渣粘度温度曲线是预示煤粉炉结渣倾向的重要指标。研究表明，焦渣粘度与煤灰化学成分有关，当烟煤焦渣温度超过其临界粘度相对应的温度Tcv后，焦渣粘度就与灰分中的硅比SiO2/(SiO2+Fe2O3+CaO+MgO)有一定的关系。英国根据(SiO2/Al2O3)、Fe2O3、CaO、MgO来确定与临界粘度相对应的温度。
从临界粘度(约10～20Pa·s到约104Pa·s范围内的焦渣呈塑性状态液固两相混合)，可根据其所对应的温度区域考虑吹灰器的型式和位置。
1.1.3灰的烧结性
B&W利用烧结试验来衡量烟煤的结渣倾向。试验在一个专门的实验性燃烧室内进行，被试煤在其中悬浮燃烧以模拟煤粉炉工况，然后将烧出的灰压进一个直径17mm、高19mm的圆筒内，再将压出的灰块置于1.03MPa和704～1093℃下在空气中加热15个小时，然后慢慢冷却。该烧结灰块的烧结温度、破碎强度与结渣倾向密切相关，B&W把这作为评价煤的主要指标之一。易结渣的煤在927℃以下烧结强度高达27.58MPa，而不易结渣的煤在927～1093℃范围内的烧结强度低于6.9MPa。
1.1.4几个反映结渣倾向的导出因子
美国CE和B&W等锅炉制造厂都各自研究和导出一些显示结渣和积灰特性的指标，现将有关结渣的指标列于附表中。CE公司在评价结渣倾向时除了采用灰熔点外，还采用：
(1)碱酸比
如前所述，煤灰中碱性组分与灰熔点之间的关系呈抛物线形，碱酸比在0.4～0.7(大约30％～40％标准含量的碱性物)时最易结渣。
(2)硅铝比
当以碱酸比作为判断结渣性指标时，还需注意硅铝比。在碱酸比低的情况下，如硅铝比高，铝将发挥溶剂作用而降低T250。T250是对应于粘度为250P(泊)时的灰渣温度，一般说，灰渣粘度低于250P时，流动性就很好。硅铝比小于1.7不结渣，大于2.8将结渣。
(3)铁钙比
此比值在0.3～3.0范围内会影响灰渣的共熔特性，使灰熔点降低，结渣倾向增加趋向1时会严重结渣；小于0.3或大于3.0都不结渣。
(4)2.0重液中的铁
CE采用在比重为2.9重液中沉积下的煤灰铁含量作为衡量黄铁矿的多少。黄铁矿在燃烧过程中不起反应而离析出来，形成焦渣结在靠近燃烧器的炉膛下部水冷壁上。
(5)单位发热量的煤灰量
每百万英镑热单位的煤灰量被用来估量可能生成的渣和积灰的数量(当然还要依据灰的结渣和积灰特性)。
B&W用另一些指标来估计结渣倾向。
根据灰渣粘度导出的结渣指数RSV
RSV＝T250(氧化)-T1000(还原)/(97.5*FS)
式中T250(氧化)——氧化氛围下灰渣粘度25Pa·s所对应的温度
T1000(还原)——还原氛围下灰渣粘度1000Pa·s所对应的温度
FS——一个相关系数，其数值范围为1～11，取决于灰渣粘度/温度曲线上对应于200Pa·s的温度(氧化与还原氛围的中间值)
RSV由0.5变化到3.0，相对应的结渣倾向由中等到严重。
(2)依据灰熔化温度导出的结渣指数Rsf
Rsf＝(MaxHT+4*MinID)/5
式中MaxHT——氧化或还原氛围下较高的半球形温度
MinID——氧化或还原氛围下较低的开始变形温度
Rsf是一个加权平均温度，以1份氧化或还原氛围下的最大半球形温度和4份氧化或还原氛围下的最小开始变形温度来平均。Rsf低于1149℃预示严重结渣；Rsf在1232～1343℃范围内预示中等结渣倾向。
(3)由灰的化学成分导出的结渣指数Rsb
Rsb＝(CaO+MgO+Fe2O3+Na2O+K2O)*S％(干燥基)/(SiO2+Al2O3+TiO2)
Rsb指数主要用于烟煤型灰，即灰中Fe2O3的含量大大高于CaO和MgO含量，Rsb植的范围从0.6以下(代表轻度结渣趋势)到2.6以上(代表严重结渣趋势)。
1.2设计因素
美国电力研究协会(EPRI)曾对燃用各种不同因素煤种的锅炉作了调查，结论是结渣和积灰不仅与煤灰性质有关，而且同锅炉设计密切相关，主要是炉膛热强度(包括炉膛容积热强度和断面热强度)、煤粉在炉膛内逗留的时间、燃烧器结构型式以及受热面的布置等。同一煤种，在某台锅炉上燃烧会严重结渣，而在另一台设计不同的锅炉上可能根本不结渣。同时，锅炉设计在改善灰沉积物方面也起着重要的作用。
1.3运行因素
锅炉结渣积灰与锅炉负荷、烟气温度、煤粉细度、过剩空气量等有关。
结渣、积灰随锅炉负荷及烟气温度的增加而增加。
煤粉细度对炉膛结渣的影响说法不一，其一，提高煤粉细度将使燃烧区域温度升高，从而加剧结渣，我国125MW机组的运行实践也表明，煤粉过细着火快，燃烧器区域易结渣。而在一台600MW机组上进行的试验结构却相反，其结论是粗煤粉将加重结渣。笔者认为煤粉细度应视煤种与具体的锅炉结构而定，过细不仅增加制粉电耗，而且会提高燃烧器区域热负荷而可能引起结渣；过粗不仅不利于着火和煤粒的燃尽，而且易造成炉膛上部和过热器部位结渣。所以应通过试验确定合理的煤粉细度。
较大的燃烧过剩空气能减少结渣与积灰，这是由于炉膛内还原区范围缩小以及炉膛出口温度降低。在600MW机组上的试验显示，增加过剩空气，同时将燃烧器正向倾斜，水冷壁和大屏上的沉积物明显减少。
本发明提出一种数值模拟预测炉内结渣特性的方法，其能够更加准确的预测煤粉燃烧在炉内的结渣程度及换热。
请参考图1，图1所示为本发明较佳实施例的数值模拟预测炉内结渣特性的方法流程图。本发明提出的数值模拟预测炉内结渣特性的方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤S100：建立燃料结渣特性基础数据；
步骤S200：将结渣数值模拟模型添加到燃烧数值模拟模型中；
步骤S300：结合炉内数值计算，预测炉内易结渣的位置及厚度。
步骤S400：将所述计算结果作为边界条件，对炉内燃烧进行三维数值计算，最终提取炉内的整体换热水平。
综上所述，本发明提出一种数值模拟预测炉内结渣特性的方法，首先通过实验室测量建立不同燃料结渣特性的基础数据；在此基础上，将结渣数值模拟模型添加到燃烧数值模拟模型中，并结合炉内数值计算，预测炉内易结渣的位置及厚度；将计算结果作为边界条件，对炉内燃烧进行三维数值计算，最终可提取炉内的整体换热水平，因此本发明能够更加准确的预测煤粉燃烧在炉内的结渣程度及换热。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (2)
1.一种数值模拟预测炉内结渣特性的方法，其特征在于，包括下列步骤：
建立燃料结渣特性基础数据；
将结渣数值模拟模型添加到燃烧数值模拟模型中；
结合炉内数值计算，预测炉内易结渣的位置及厚度。
2.根据权利要求1所述的数值模拟预测炉内结渣特性的方法，其特征在于，将所述计算结果作为边界条件，对炉内燃烧进行三维数值计算，最终提取炉内的整体换热水平。
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