謝國江

(國家電投集團貴州金元股份有限公司 納雍發(fā)電總廠,貴州 畢節(jié) 553399)

在工業(yè)生產過程中,通過工業(yè)爐能夠利用燃料燃燒或電能產生的熱量加熱物料或工件[1]。工業(yè)爐長期工作在高溫、氧化以及滲碳等環(huán)境中[2],爐內壁無法避免地會產生結焦問題,由此造成工業(yè)爐失效[3]。為提升工業(yè)爐工作性能,保障其工作過程中的穩(wěn)定性,需對其爐內壁結焦進行深度研究。

目前,眾多學者開展研究,并已經取得一定的研究成果。如楊軍衛(wèi)等人分析工業(yè)爐結焦的主要原因,并分析結焦的主要成分[4]。岑友良等人為緩解工業(yè)爐結焦問題,向爐內注入介質,并分析不同介質對于結焦延遲的影響[5]。徐靜等人為提升工業(yè)爐生產效率,通過實踐研究分析不同方式對于抑制工業(yè)爐結焦性能的影響[6]。本文在前人研究基礎上,利用有限元模型,研究爐內壁結焦對工業(yè)爐性能的影響,為工業(yè)爐應用性能的提升提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 工業(yè)爐選擇與分析

研究過程中所選擇的工業(yè)爐為型號為DG1025/18.3-II5的亞臨界壓力一次中間再熱自然循環(huán)鍋爐[7],該工業(yè)爐在機組電負荷為335 MW工況時最大連續(xù)蒸發(fā)量為1 025 t/h。

工業(yè)爐為單爐膛、四角布置直流式燃燒器[8],配4臺DTM350/700鋼球磨煤機?？紤]到無煙煤難著火、難穩(wěn)燃、極難燃盡的特點,工業(yè)爐在爐膛容積、燃燒器設計等方面做了充分考慮。每臺燃燒器采用一層雙通道自穩(wěn)式燃燒器[9],上部OFA風室采用手動擺動。該燃燒器能夠保證在燃用設計煤種和校核煤種時爐內燃燒工況穩(wěn)定。

爐膛上部布置過熱器,抑制進入過熱器爐寬方向的煙溫偏差[10]。針對工業(yè)爐結焦過程,其結構的化學成分及性能參數會對其結焦效果產生巨大影響。對初始工業(yè)爐的化學成分進行測定,其參數如表1所示。

表1 工業(yè)爐的化學成分 %

所選工業(yè)爐的性能指標如表2所示。

表2 工業(yè)爐性能數據表

1.2 爐內壁結焦機理

爐內壁結焦是一個物理與化學相融合的復雜過程[11]。對爐內壁結焦的過程進行分析可以得到,所謂工業(yè)爐內壁結焦主要是煤粉氣流傾斜貼水冷壁形成附著現象,其結焦會對水冷壁的熱量傳遞產生影響,令水冷壁外表層溫度提升。在工業(yè)爐內溫度較高的條件下,爐內燃燒煤內灰粒會表現出熔融、半熔融狀態(tài)[12],產生較高的粘附性。在煤粉氣流出現傾斜的條件下,煤內灰粒無法充分冷卻處理,將導致其在慣性影響下附著于工業(yè)爐壁受熱面上,冷卻后有一定概率受不同因素影響而脫落,同時還有一定概率因此狀態(tài)下的灰粒水量較多而導致無法全部凝固等現象出現而繼續(xù)附著。在工業(yè)爐壁受熱面內灰粒水量逐漸提升的條件下,工業(yè)爐壁熱阻提升導致附著物表層溫度有所提升[13],隨著煙氣內灰?；蚬虘B(tài)灰粒持續(xù)附著,將造成灰渣層熔融產生流動渣等。結焦作為工業(yè)爐實際應用過程中的一個具有時變性特征的消極發(fā)展過程,一旦結焦產生將會以較快的速度形成大范圍結焦[14-15]。

1.3 有限元分析與模型構建

為分析爐內壁結焦對工業(yè)爐性能的影響,利用有限元軟件ABAQUS構建有限元分析模型,設計順次耦合的工業(yè)爐溫度場與應力場計算程序。

分析溫度場,將分析結果傳輸至結果文件內,將其定義為力分析的預定義場。在實際應力分析時,在該預定義場內采集不同節(jié)點的實際溫度,完成差值運算。

工業(yè)爐實際工作過程中所承擔的載荷具有對稱性特征,基于此依照工業(yè)爐幾何形狀,取工業(yè)爐截面的二分之一構建工業(yè)爐二維平面應變有限元模型,圖1所示為有限元模型的網格劃分。

圖1 有限元模型邊界條件與載荷分布

考慮工業(yè)爐結焦層的應力狀態(tài)具有復雜性特征,而工業(yè)爐的金屬側具有相對均勻性特征,所以有限元模型構建過程中選取非均勻化網格劃分方法。根據實際情況,需要將結焦層網格設置得相對較細密,而工業(yè)爐金屬網格設置得相對稀疏。有限元模型內選用DC2D4和CPE4分別作為溫度場單元與應力場單元,在實際分析過程中選用的節(jié)點與單元應具有一致性。

工業(yè)爐正常工作過程中的升溫過程圖如圖2所示。

圖2 工業(yè)爐升溫過程圖

由圖2可知,工業(yè)爐工作過程中的升溫過程為階梯狀,由此能夠保障工業(yè)爐內溫度均勻分布。

實際模擬分析溫度場時,設定工業(yè)爐外表層和內表層分別為輻射邊界條件和對流邊界條件,依照工業(yè)爐實際工作情況設定輻射發(fā)射率與對流系數分別為0.86和1 620 W/(m2·℃)。設定溫度場實際分析過程中的初始溫度與內壁受壓分別為18 ℃和0.5 MPa。

設定邊界條件為:

(1)下對稱面采用YSYM邊界條件;

(2)左對稱面采用XSYMM邊界條件。

設定工業(yè)爐在不同工況條件下的負荷情況如表3所示。

表3 工業(yè)爐在不同工況條件下的負荷情況

2 實驗結果

爐內結焦對于工業(yè)爐實際工作過程的穩(wěn)定性產生消極影響,會導致工業(yè)爐工作過程中的物耗與能耗提升,對裝備工業(yè)爐的生產裝置經濟效益產生直接影響。為提升工業(yè)爐的工作質量,探究煤粉對工業(yè)爐結焦厚度及結焦厚度對工業(yè)爐力學性能、傳熱性能與機械性能的影響,分析結果如下。

2.1 煤粉粒徑對結焦厚度的影響

工業(yè)爐結焦厚度與煤粉平均粒徑之間存在著重要關系,本次研究先探究不同煤粉粒徑對工業(yè)爐結焦厚度的影響,得到結果如圖3所示。

圖3 煤粉粒徑均值差異化對爐內壁結焦厚度的影響

分析圖3得到,在負載一致的條件下,工業(yè)爐內水冷壁的結焦厚度與煤粉粒徑均值之間呈正比例相關,即其平均粒徑越大,代表其結焦厚度值越大,在煤粉粒徑均值達到90 μm的條件下,其結焦厚度提升速度開始平緩。造成這一現象的原因在于煤粉的平均粒徑會影響煤粉燃燒時的速率、溫度及完全性。如果煤粉的平均粒徑太大,容易造成燃燒不完全,導致結焦現象的發(fā)生。而結焦現象會使得爐內溫度升高,加劇爐墻和爐底的磨損和腐蝕,對工業(yè)爐的壽命造成影響,故要想提升工業(yè)爐的使用性能,避免其結焦,應對其燃燒煤粉的粒徑進行控制。

2.2 結焦厚度對工業(yè)爐力學性能的影響

在不同結焦厚度條件下,工業(yè)爐力學性能的變化情況如表4所示。

表4 結焦厚度對工業(yè)爐力學性能的影響

分析表4得到,結焦厚度對工業(yè)爐的力學性能產生的影響較為顯著。隨著結焦厚度的提升,工業(yè)爐的屈服強度與抗拉強度都呈現出明顯下降趨勢,同時伸長率也呈現顯著下降趨勢,這表明結焦厚度的提升對于工業(yè)爐的強度與塑性都產生消極影響,且這種消極影響隨著結焦厚度的提升逐漸加劇,這進一步說明結焦厚度與工業(yè)爐力學性能之間呈反比例相關。結焦厚度提升導致工業(yè)爐強度及塑性下降的主要原因是結焦過程會導致工業(yè)爐呈現顯著的滲碳現象,由此造成基體內的碳化物變粗,進而導致晶粒間出現間斷,造成變形的參差性,令碳化物產生裂紋。并且,其結焦層會增加工業(yè)爐爐墻和爐底的負荷,導致爐子的承載能力下降,影響其力學性能。如果其結焦層不均勻或過厚,會導致工業(yè)爐工作過程中溫度分布不均,從而引起熱應力和熱應變,進一步加劇爐墻和爐底的磨損和腐蝕,降低爐子的力學性能。

2.3 結焦厚度對工業(yè)爐傳熱性能的影響

不同爐內壁結焦厚度對工業(yè)爐傳熱性能的影響分析結果如圖4所示。

圖4 結焦厚度對工業(yè)爐傳熱性能的影響

分析圖4(a)得到,在爐內壁結焦厚度逐漸提升的條件下,工業(yè)爐金屬基體同結焦層界面處的溫度也表現出逐漸提升的趨勢,但工業(yè)爐內壁溫度則逐漸下降。造成這一現象的原因與結焦層的存在對爐子的熱傳遞機制產生了影響。結焦層的存在會導致爐子內部溫度分布不均勻,使得爐壁內側溫度相對較高,而外側溫度相對較低。而金屬基體同結焦層界面處的溫度取決于爐壁內側溫度和結焦層的熱傳導能力。由于爐壁內側溫度相對較高,而結焦層的熱傳導能力相對較低,因此金屬基體同結焦層界面處的溫度會逐漸升高。工業(yè)爐內壁溫度卻逐漸下降是由于結焦層的存在使得爐子內部的熱傳遞效率降低,導致爐子內部的溫度下降。同時,由于結焦層的存在使得爐子內部空間減小,氣流不暢,進一步降低了爐子內部的溫度。因此,雖然金屬基體同結焦層界面處的溫度逐漸提升,但爐內壁溫度卻逐漸下降。

圖4(b)所示為結焦厚度對于工業(yè)爐內外部溫差的影響。對其進行分析得到,在爐內壁結焦厚度逐漸提升的條件下,工業(yè)爐內外壁溫差也表現出顯著提升的趨勢。產生這種現象的主要原因在于,當爐內壁結焦厚度逐漸提升時,工業(yè)爐內壁溫度逐漸下降,但外壁溫度則處于相對穩(wěn)定狀態(tài),故其內外壁溫差獲得一定提升。

2.4 結焦厚度對工業(yè)爐機械性能的影響

結焦厚度對工業(yè)爐環(huán)向應力與徑向變形量的影響如圖5所示。

圖5 工業(yè)爐內外壁徑向變形

分析圖5得到,在工業(yè)爐內壁未結焦的條件下,工業(yè)爐正常升溫時,工業(yè)爐外壁的徑向變形量高于內壁。在工業(yè)爐內壁產生結焦的條件下,工業(yè)爐正常升溫時,工業(yè)爐外壁徑向變形量低于內壁。同時,在工業(yè)爐內壁結焦厚度逐漸提升的條件下,工業(yè)爐內壁與外壁的徑向變形量均表現出逐漸提升的趨勢,當變形量達到一定值后,將造成工業(yè)爐局部脹裂,進而無法使用。

3 結 論

本文通過構建有限元模型研究爐內壁結焦對工業(yè)爐性能的影響,結果顯示:

(1)當煤粉顆粒粒徑提升時,工業(yè)爐的結焦厚度也有所提升。

(2)結焦厚度與工業(yè)爐力學性能及傳熱性能呈反比例關系。

(3)在工業(yè)爐內壁結焦厚度逐漸提升的條件下,工業(yè)爐內壁與外壁的徑向變形量均表現出逐漸提升的趨勢。