商 月，穆 林

(大連理工大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，大連 116024)

0 引 言

準(zhǔn)東煤是產(chǎn)自我國(guó)新疆準(zhǔn)格爾盆地東部的一種儲(chǔ)量豐富的低階煤，其灰分中普遍具有高含量的堿及堿土金屬(合并統(tǒng)稱為AAEM)。準(zhǔn)東煤中高度分散的AAEM對(duì)原煤的熱解和焦炭的氣化有很強(qiáng)的催化作用，同時(shí)也會(huì)引起鍋爐中結(jié)渣結(jié)垢和腐蝕問(wèn)題[1]。近年來(lái)，許多學(xué)者都為了研究準(zhǔn)東褐煤燃燒后的灰分沉積行為而在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[2-3]以及大型鍋爐[4]上進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)研究表明，準(zhǔn)東褐煤中的堿性化合物燃燒后會(huì)釋放到氣相中并凝結(jié)在換熱管上，引起灰分沉積和熱表面的腐蝕問(wèn)題，對(duì)鍋爐的安全運(yùn)行造成一定威脅。另一方面，灰分中存在的堿性化合物還會(huì)形成具有較低熔融溫度的共晶體，共晶體組分的增加提高了飛灰顆粒和沉積表面的黏附能力[5]。

準(zhǔn)東煤燃燒過(guò)程中形成的灰分主要來(lái)自煤中礦物質(zhì)的破碎和聚集，小部分來(lái)自煤中存在的無(wú)機(jī)物的蒸發(fā)[6]。該反應(yīng)主要是由于脫揮發(fā)分和焦炭燒盡過(guò)程中細(xì)礦物質(zhì)顆粒、難熔氧化物和有機(jī)結(jié)合物的汽化引起的[7]，這些物質(zhì)隨后均勻成核，形成氣溶膠或與其他飛灰顆粒凝結(jié)。煤中不同大小的灰分顆粒以不同的方式形成，總的來(lái)說(shuō)，較大的灰分顆粒通過(guò)聚結(jié)和破碎等機(jī)理形成，較小的灰分顆粒由汽化和冷凝機(jī)理形成。

飛灰顆粒輸運(yùn)到傳熱表面的幾種主要傳輸機(jī)制有慣性碰撞、熱泳、冷凝和湍流擴(kuò)散[8]，其特性主要取決于燃燒過(guò)程中的物理和化學(xué)轉(zhuǎn)化。當(dāng)飛灰顆粒與沉積表面碰撞時(shí)，如果它們具有足夠黏性，則會(huì)黏附在傳熱表面上，例如在完全熔融和部分熔融的情況下，飛灰顆粒易于黏附在沉積表面。未熔融的飛灰顆粒在撞擊后通常會(huì)從換熱管或沉積表面反彈，但是如果沉積表面有足夠的黏性，其也可以被沉積表面捕獲。為了計(jì)算灰分沉積速率，已有許多學(xué)者進(jìn)行了預(yù)測(cè)顆粒黏性的研究工作。Walsh等人[9]提出了一種顆粒黏附模型，該模型基于黏附效率隨著灰滴與沉積物表面之間的接觸面積增加而增加的假設(shè)，指出黏性是與灰分黏度成反比的。另一種廣泛使用的顆粒黏附模型是基于Tran等人[10]提出的熔化行為，其假設(shè)只有當(dāng)灰分顆粒或沉積表面具有一定的液相時(shí)，顆粒才可能黏附。上述兩種顆粒黏附模型都試圖考慮灰分性質(zhì)和爐溫對(duì)飛灰沉積的影響。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)已被廣泛用于固體燃料燃燒模擬，各種沉積模型已經(jīng)被開發(fā)來(lái)預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的測(cè)試設(shè)施以及大型鍋爐中的灰分沉積[8-10]。文中旨在基于熔融組分模型建立能夠較為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)高堿金屬飛灰的沉積耦合模型，并通過(guò)用戶自定義函數(shù)將飛灰沉積與堿蒸氣冷凝結(jié)合起來(lái)鏈接到FLUENT中。提出的模型考慮了顆粒的物理和化學(xué)性質(zhì)、沉積物表面性質(zhì)和爐子的操作條件，通過(guò)煙氣溫度、氣體成分、煙氣速度分量以及有關(guān)湍流信息來(lái)計(jì)算灰燼沉積物的形成情況。

1 模型的建立

文中采用具有均勻入口流量的單管，因?yàn)樗_模擬了位于最嚴(yán)重沉積的管束第一排中的管的狀況。如圖1所示，煙氣(質(zhì)量分?jǐn)?shù)組成為N2-0.758，CO2-0.166，O2-0.05，H2O-0.026)以2.8 m/s的入口速度進(jìn)入矩形區(qū)域內(nèi)，該計(jì)算域的寬度D為350 mm，長(zhǎng)度為2D，中心處圓管的直徑d為40 mm。煙氣中顆粒的流量為1.153 g/s，灰分粒徑范圍為1 μm至60 μm，平均粒徑為16 μm，服從Rosin-Rammler分布。圓管周圍的第一層網(wǎng)格大小約為0.2 mm，以便準(zhǔn)確預(yù)測(cè)顆粒碰撞效率和顆粒溫度。文中參考的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于[11]，該灰分沉積實(shí)驗(yàn)在一300 kW燃燒爐中進(jìn)行，其內(nèi)徑為0.35 m，長(zhǎng)度約3.95 m。爐子的中央?yún)^(qū)域放置有由不銹鋼制成的灰分沉積冷卻探頭。爐溫設(shè)置為1 373 K至1 593 K，探頭通過(guò)溫度為503 K的導(dǎo)熱油冷卻，高溫?zé)煔馀c冷卻探頭通過(guò)熱輻射和熱對(duì)流傳遞熱量，冷卻探頭實(shí)現(xiàn)冷卻的方式是將熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)傳遞給導(dǎo)熱油。來(lái)探頭上的沉積物生長(zhǎng)狀況由圖像采集系統(tǒng)在線監(jiān)控。準(zhǔn)東褐煤的揮發(fā)物含量高，灰分含量低，灰分主要是金屬氧化物，表1為低溫準(zhǔn)東褐煤灰分的礦物成分[12]。

表1 低溫準(zhǔn)東褐煤灰分的礦物成分(XRD)

1.1 粒子軌跡

文中基于氣相的連續(xù)相模型和顆粒相的離散相模型，通用FLUENT16.0對(duì)受限氣體顆粒流進(jìn)行模擬，分別在歐拉參考系中建模和在拉格朗日參考系中追蹤粒子軌跡，使用SIMPLE算法以生成一組代數(shù)方程以實(shí)現(xiàn)壓力-速度耦合，選擇SST k-ω湍流模型來(lái)模擬氣體湍流波動(dòng)。

顆粒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程在拉格朗日坐標(biāo)下由隨機(jī)軌道模型求解，沒(méi)有考慮粒子之間的相互作用或者粒子破裂。考慮到氣相與離散相之間的相互作用，顆粒在氣流中的受力是阻力、重力和其他力的平衡：

(1)

式中，F(xiàn)D為單位質(zhì)量顆粒曳力項(xiàng)；gx為重力與浮力合力項(xiàng)；Fx為附加力，包括虛擬質(zhì)量力、熱泳力、布朗力等。

FD的計(jì)算如下所示[13]：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，μ為煙氣的動(dòng)力粘度，Pa·s；dp為飛灰顆粒直徑，m；CD為曳力系數(shù)；Rep是飛灰顆粒的雷諾數(shù)。

熱泳力采用改進(jìn)的Cha-McCoy方程計(jì)算：

(6)

(7)

(8)

(9)

式中，kB為Boltzman常數(shù)；dm為飛灰顆粒直徑，m；Kn為Knudsen數(shù)；R為煙氣的氣體常數(shù)；cv為定容比熱容，J/(kg·K)；γ =1.4；Sn和St分別為法向動(dòng)量調(diào)節(jié)系數(shù)和切向動(dòng)量調(diào)節(jié)系數(shù)，當(dāng)Sn=St=1時(shí)，π1=3.23。

1.2 黏附效率

文中使用基于化學(xué)平衡計(jì)算出的灰分顆粒熔融分?jǐn)?shù)的沉積模型。該模型被廣泛用于預(yù)測(cè)包含了高濃度的堿物質(zhì)生物質(zhì)灰分的黏附效率[7]。該模型判定飛灰黏附效率的標(biāo)準(zhǔn)基于4個(gè)熔融特征溫度：初始熔融溫度、黏附溫度、流動(dòng)溫度和完全熔融溫度，分別以T0、T15、T70和T100(下標(biāo)代表飛灰熔融相的占比)表示。當(dāng)飛灰溫度低于T15時(shí)，其黏附效率為0；當(dāng)溫度高于T70時(shí)，其黏附效率為1；當(dāng)溫度在T15和T70區(qū)間內(nèi)，黏附效率在[0，1]之間呈線性變化。熔融溫度和相應(yīng)熔體分?jǐn)?shù)由以下公式確定[13]：

(10)

酸堿比R由下式確定:

(11)

式中，T是溫度，℃；i是0、10、70、100或者c的熔體分?jǐn)?shù)百分?jǐn)?shù)；RCl是灰分中Cl的百分?jǐn)?shù)。

1.3 積灰生長(zhǎng)

煙氣橫掠圓管造成的沉積速率由兩部分組成，分別是飛灰顆粒的沉積和堿蒸氣直接冷凝[12]：

(12)

式中，Aarrival為由于慣性碰撞和熱泳力而到達(dá)的灰分顆粒通量；ηstick為黏附效率；Iv為堿蒸氣冷凝質(zhì)量通量。

蒸氣冷凝質(zhì)量通量Iv可以通過(guò)以下公式[9]確定：

(13)

Sh(Tg)=0.023Re0.8Sc(Tg)0.4

(14)

(15)

式中，Sh是舍伍德數(shù)；Sc是施密特?cái)?shù)；Re是雷諾數(shù)；Dv(T)是煙氣溫度Tg或沉積表面溫度Ts下的蒸氣擴(kuò)散率；pv(Tg)堿蒸氣分壓；pv，s(Ts)是飽和蒸氣壓；Dh是流道的水力直徑；Rg是氣體常數(shù)。在這項(xiàng)研究中，只考慮到氯化鈉(NaCl)的堿蒸氣，因?yàn)镹aCl是根據(jù)化學(xué)平衡計(jì)算研究的準(zhǔn)東煤的主要堿金屬氣相。

考慮到沉積物的性質(zhì)隨著時(shí)間也在發(fā)生著變化，文中隨著沉積時(shí)間更新沉積物表面溫度、孔隙度和熱導(dǎo)率以得到更精確的模擬結(jié)果。表面溫度是根據(jù)總熱通量和更新后的沉積物特性來(lái)計(jì)算的，計(jì)算中需要的數(shù)據(jù)會(huì)記錄在用戶自定義內(nèi)存里以方便調(diào)用。

2 結(jié)果和討論

顆粒撞擊和黏附的預(yù)測(cè)對(duì)于模擬灰燼沉積形成至關(guān)重要，因?yàn)轭w粒的撞擊和黏附?jīng)Q定了可能黏附在沉積探針表面的到達(dá)顆粒的數(shù)量[14]。文中模擬了不同粒徑的飛灰顆粒對(duì)于煙氣速度與爐溫的響應(yīng)情況，同時(shí)分析了慣性碰撞、熱泳和堿蒸氣直接冷凝三種沉積機(jī)制在各個(gè)階段的對(duì)比情況與原因。

2.1 煙氣速度對(duì)沉積特性的影響

圖2為直徑為5、25、50 μm的飛灰顆粒在不同煙氣入口速度下碰撞效率隨著沉積時(shí)間的變化情況。從圖中可以看出，5 μm飛灰顆粒的碰撞效率總體上是隨煙氣入口速度的增大而降低的。隨著煙氣入口速度的增大，飛灰顆粒的慣性隨之增大，煙氣對(duì)飛灰顆粒的卷吸作用減小，導(dǎo)致渦旋影響下的撞擊到圓管背風(fēng)側(cè)的飛灰顆粒減少。與此同時(shí)，隨著圓管表面積灰層的生長(zhǎng)，其表面溫度的升高導(dǎo)致圓管近壁面處的溫度梯度減小，飛灰顆粒受到的熱泳力減小。25 μm飛灰顆粒的碰撞效率總體上是隨煙氣入口速度的增大而變大。25 μm飛灰顆粒主要通過(guò)慣性碰撞沉積在圓管迎風(fēng)側(cè)，慣性的增大導(dǎo)致其對(duì)煙氣主流的跟隨性變差，因此更趨于與圓管迎風(fēng)側(cè)碰撞。50 μm飛灰顆粒的碰撞效率總體趨勢(shì)上也是隨著煙氣入口速度增大而變大，且飛灰顆粒的碰撞效率隨時(shí)間變化呈現(xiàn)較為平緩的下降趨勢(shì)。

2.2 爐溫對(duì)沉積特性的影響

圖3顯示了直徑為5、25、50 μm的飛灰顆粒在不同煙氣入口溫度下碰撞效率隨沉積時(shí)間的變化情況。從圖3可以看出，煙氣溫度的變化對(duì)幾種不同直徑的飛灰顆粒的碰撞效率均不造成較大影響，煙氣溫度從1263上升到1593的過(guò)程中，飛灰顆粒碰撞效率的最大波動(dòng)僅為0.08。飛灰顆粒所受到的熱泳力正比于ΔT/Tg，其中的Tg為煙氣溫度，ΔT煙氣溫度與沉積表面溫度的差值。ΔT/Tg和煙氣溫度之間并非是正比例關(guān)系。沉積表面溫度隨著積灰層不斷生長(zhǎng)而升高，熱泳力逐漸減小，這導(dǎo)致碰撞效率隨著沉積時(shí)間降低。5 μm飛灰顆粒受熱泳力影響較大，故對(duì)比之下碰撞效率波動(dòng)較為明顯。煙氣溫度主要通過(guò)影響飛灰顆粒的黏附效率影響積灰生長(zhǎng)。煙氣入口溫度的升高導(dǎo)致飛灰中熔融組分含量的增大，到達(dá)積灰表面的飛灰顆粒更易于黏附在上面，這是爐溫變化對(duì)沉積產(chǎn)生影響的主要原因。

2.3 冷凝對(duì)沉積特性的影響

圖4可以觀察到，在沉積發(fā)生的前30 min，總的顆粒黏附效率急劇增大，隨后碰撞效率增長(zhǎng)率減小，直至趨于平緩，與此同時(shí)沉積表面溫度相應(yīng)增加，然后溫度變化逐漸平坦。隨著沉積表面溫度的升高，圓管表面沉積物的熔融組分增大，導(dǎo)致沉積表面黏性增強(qiáng)，黏附效率就隨之增大。管壁在積灰發(fā)生的前期溫度較低 ，煙氣中的堿金屬成分易于凝結(jié)，這也是造成顆粒黏附效率急劇增大的部分原因。堿金屬成分凝結(jié)對(duì)黏附效率和沉積物造成影響是通過(guò)以下三種途徑：(1)部分揮發(fā)的堿金屬成分均勻凝結(jié)形成亞微米氣霧，然后通過(guò)熱泳沉積到換熱表面[13]；(2)部分揮發(fā)的堿金屬成分在大粉煤灰顆粒上不均勻地冷凝，這增大了粉煤灰表面粘性[6]；(3)部分揮發(fā)的堿金屬成分凝結(jié)在沉積物表面上以增加沉積表面的黏附可能性。

圓管的較低表面溫度促進(jìn)了初始層的生長(zhǎng)，小顆粒的熱泳和堿蒸氣冷凝在這一階段較為活躍，隨著沉積物的表面溫度升高到可以促進(jìn)熔融和燒結(jié)以形成燒結(jié)層的程度，燒結(jié)層的進(jìn)一步生長(zhǎng)則由較大的飛灰顆粒慣性沖擊決定。

圖5可以看出，慣性碰撞是主要的沉積機(jī)制，堿蒸氣直接凝結(jié)產(chǎn)生的沉積質(zhì)量與總累積沉積質(zhì)量之比在初始階段僅占11.2%，而在最終階段僅占0.15%，由慣性碰撞引起的相對(duì)堆積沉積質(zhì)量幾乎是由熱泳引起的相對(duì)九倍大。這是因?yàn)閴A蒸氣冷凝主要存在于沉積階段的前期，堿相(NaCl)的飽和蒸氣壓隨沉積表面溫度的升高而增加。當(dāng)飽和蒸氣壓足夠高時(shí)，根據(jù)直接堿蒸氣冷凝模型[12]，堿蒸氣(NaCl)的分壓不能支持直接蒸氣冷凝。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中通過(guò)建立飛灰顆粒沉積與堿蒸氣冷凝相耦合的模型，研究了煙氣溫度、煙氣速度和沉積機(jī)制對(duì)沉積的影響，結(jié)果總結(jié)如下:

(1)煙氣速度主要通過(guò)影響飛灰顆粒的碰撞效率對(duì)沉積產(chǎn)生影響，小顆粒的碰撞效率隨煙氣速度的增大而減小，大顆粒則相反。

(2)爐溫對(duì)飛灰顆粒的碰撞效率影響不大，其主要通過(guò)影響飛、灰顆粒的黏附效率對(duì)沉積產(chǎn)生影響，較高的爐溫可促進(jìn)灰燼顆粒的熔融和粘性沉積層的形成。

(3)堿蒸氣冷凝主要作用在沉積產(chǎn)生的前期，對(duì)沉積物的形成和黏附效率的增大的影響不可忽視。