发电技术, 2025, 46(4): 829-838 DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.24220

发电及环境保护

准东煤灰的动态沉积与脱落特性数值模拟研究

郭前鑫1, 李建波2, 王虎1, 梁银堂2, 韩新建1, 阮雄伟2, 卢啸风2

1.国家能源集团国神公司技术支持中心,陕西省 西安市 710000

2.低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室(重庆大学),重庆市 沙坪坝区 400044

Study on Numerical Simulation of Dynamic Deposition and Shedding Characteristics of Zhundong Coal Ash

GUO Qianxin1, LI Jianbo2, WANG Hu1, LIANG Yintang2, HAN Xinjian1, RUAN Xiongwei2, LU Xiaofeng2

1.Guoshen Technical Support Center, CHN ENERGY Investment Group Co. , Ltd. , Xi’an 710000, Shaanxi Province, China

2.Key Laboratory of Low-Grade Energy Utilization Technology and System (Chongqing University), Ministry of Education, Shapingba District, Chongqing 400044, China

收稿日期: 2024-10-16   修回日期: 2025-01-03  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  52176101

Received: 2024-10-16   Revised: 2025-01-03  

作者简介 About authors

郭前鑫(1970),男,高级工程师,主要研究方向为电力工程技术开发和管理、煤炭高效清洁低碳利用等,11172400@ceic.com

李建波(1989),男,博士,副教授,主要研究方向为循环流化床燃烧技术、高碱煤的清洁高效利用和低碳(生物质)及零碳(氢/氨)燃料的燃烧利用等,本文通信作者,jianbo.li@cqu.edu.cn

卢啸风(1962),男,博士,教授,主要从事洁净煤燃烧技术及工程应用研究和烟气脱硫、脱硝技术及工程应用研究,xfluke@cqu.edu.cn

摘要

目的 电站锅炉在燃用准东煤时会出现严重的受热面沾污结渣问题,为此,对准东煤灰在受热面上的沉积和脱落特性进行了研究。 方法 建立了基于颗粒黏附能的沉积灰侵蚀模型,对准东煤灰在单管上的动态沉积和脱落过程进行了数值模拟研究。 结果 耦合侵蚀机理的模型模拟结果与实验结果之间的误差仅为3.3%,展现出较高的精确度。此外,沉积灰的脱落速率呈先增大后趋于平缓的趋势,但在所模拟的时间范围内仅能使25%的沉积灰脱落。与此同时,沉积灰的累积使受热面的传热损耗速率逐渐增大,6 h时间段内的平均传热损耗速率为1 h时间段的1.76倍。另外,6 h沉积灰的黏附能为1 h的6.11倍,相应的吹灰出口空气质量流率需要提高1.85倍才能有望清除全部的积灰。 结论 研究结果加深了对准东煤灰动态沉积和脱落过程的认识,为工业上的吹灰优化提供了重要研究数据和理论支撑。

关键词: 煤电 ; 准东煤 ; 积灰 ; 侵蚀脱落 ; 平均黏附能 ; 数值模拟 ; 碱金属 ; 吹灰

Abstract

Objectives Power plant boilers often experience severe fouling and slagging issues on the heating surfaces when burning Zhundong coal. Therefore, the deposition and shedding characteristics of Zhundong coal ash on the heating surface were studied. Methods A deposited ash erosion model based on particle adhesion energy is established, and numerical simulations are then conducted to examine the dynamic deposition and shedding processes of Zhundong coal ash on a single tube. Results The model incorporating the coupled erosion mechanisms has a deviation of only 3.3% compared to the experimental results, demonstrating high accuracy. Besides, the shedding rate of the deposited ash increases initially but then levels off. However, within the simulated timeframe, only 25% of the deposited ash can be removed. In addition, the accumulation of deposited ash leads to a gradual increase in the heat transfer loss rate of the heating surface, with the average heat transfer loss rate during a 6-hour period being 1.76 times that of a 1-hour period. Furthermore, the adhesion energy of the deposited ash after 6 hours is 6.11 times that after 1 hour, and the corresponding mass flow rate of air at the soot-blowing outlet needs to be increased by 1.85 times to effectively remove all the deposited ash. Conclusions These findings enhance the understanding of the dynamic deposition and shedding processes of Zhundong coal ash and offer important research data and theoretical support for optimizing soot-blowing operations in industrial applications.

Keywords: coal-fired electricity ; Zhundong coal ; ash deposition ; erosion and shedding ; average adhesion energy ; numerical simulation ; alkali metal ; soot blowing

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本文引用格式

郭前鑫, 李建波, 王虎, 梁银堂, 韩新建, 阮雄伟, 卢啸风. 准东煤灰的动态沉积与脱落特性数值模拟研究. 发电技术[J], 2025, 46(4): 829-838 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.24220

GUO Qianxin, LI Jianbo, WANG Hu, LIANG Yintang, HAN Xinjian, RUAN Xiongwei, LU Xiaofeng. Study on Numerical Simulation of Dynamic Deposition and Shedding Characteristics of Zhundong Coal Ash. Power Generation Technology[J], 2025, 46(4): 829-838 DOI:10.12096/j.2096-4528.pgt.24220

0 引言

煤炭是我国的主体能源[1-5],新疆地区的准东煤因其3 900亿t的预测储量成为我国重要的能源供应基地[6]。准东煤具有低灰分、低硫分、低着火温度和高燃尽率的良好煤质特性,但是煤灰中的碱金属含量也普遍较高(质量分数>2%)[7]。目前,煤粉锅炉[8]和循环流化床锅炉[9]燃用准东煤时,都会出现不同程度的沾污结渣现象,成为锅炉长周期安全稳定运行的主要技术瓶颈。

国内外学者对准东煤的成灰特性和灰沉积特性进行了大量分析[10-11]。研究发现,准东煤中的钠主要以氯化钠晶体或水合离子形式存在[12]。在燃烧过程中,相当比例的碱金属钠会以气相的形式释放到烟气中,随后通过冷凝、扩散等方式沉积到受热面上[13]。其他无机灰分,如钙镁硫化物、硅酸盐或硅铝酸盐,也可以通过热泳或惯性撞击等机理沉积在受热面上[14]。随着时间的积累,沉积灰经历生长、脱落、烧结、流动等过程,最终形成松散的、烧结的,甚至熔融的积灰[15]。当沉积灰通过烧结和熔融增强颗粒间的黏性作用力时,吹灰手段就可能失效,使得锅炉经济性降低、安全风险显著升高[16-17]

与实验手段相比,通过数值模拟可以对沉积灰的沉积、脱落等动态过程以及沉积机理的作用效果进行分析,因此成为研究灰沉积的主要手段[18]。截至目前,国内外学者在考虑不同沉积机理的情况下,开发出了临界黏度模型[19]、熔体分数模型[20]、临界速度模型[21]和冷凝沉积模型[22]等,各模型的优缺点详见文献[23-24]。近期,Liang等[23]和Guo等[24]采用修正后的黏度模型很好地预测了准东煤灰的沉积过程。与此同时,已沉积的灰颗粒会在飞灰和吹灰介质的冲击侵蚀下发生脱落。对此,Bouris等[25]开发建立了一个耦合脱落机理的数值模型,并对某燃褐煤电站锅炉的灰沉积过程进行了数值模拟研究。此外,Wang等[21]通过能量守恒研究了沉积灰的流动特性与实时污垢特性。Zhou等[26]引入了一种新的侵蚀模型,并对颗粒撞击过程消耗的能量和沉积表面的熔体分数进行了系统分析,结果显示,耦合侵蚀模型后沉积灰层的厚度与实验结果更为接近。然而,目前对准东煤灰沉积和脱落过程的认识仍然不足,如何根据其脱落特性对吹灰过程进行优化更鲜有报道。

本文通过数值模拟的方法,对准东煤灰在受热面上的沉积和脱落过程进行了研究,并结合颗粒黏附能的思想对积灰脱落所需要的条件进行了分析,旨在加深对灰沉积和脱落过程的认识,为吹灰优化等工业过程提供指导和参考。

1 物理模型

本文的物理模型来自某循环流化床(circulating fluidized bed,CFB)水平烟道内空冷探针上的积灰过程,详细的实验系统及空冷探针布置情况见文献[27]。模拟时,设定的计算域高度为100 mm,长度为500 mm,换热管道放置于计算域入口200 mm处,进口设置为速度边界条件,出口设置为压力边界条件[23]。准东煤的煤质和煤灰特性见表1。具体的模拟输入条件见表2,其中温度和速度等均为实验测量值,飞灰颗粒粒径则先通过激光粒度仪分析,随后再根据R-R分布对其进行拟合得到[23]。对于无法通过实验确定的沉积灰层孔隙率、飞灰颗粒导热率等参数,参照文献[28-30]确定。

表1   准东煤的工业分析、元素分析以及煤灰化学成分 (%)

Tab. 1  Proximate analysis and ultimate analysis of Zhundong coal and its ash chemical composition

化学成分分析(干燥基)工业分析元素分析
w(SiO2)w(Al2O3)w(Fe2O3)w(CaO)w(MgO)w(TiO2)w(SO3)w(P2O5)w(K2O)w(Na2O)wMadwVdwFCdwAdw(C)w(H)w(O)w(N)w(S)
11.716.695.9332.517.560.3927.930.090.444.915.630.0764.845.0975.453.5114.690.690.57

注:wMad为空气干燥基水分的质量分数;wVdwFCdwAd分别为干燥基挥发分、固定碳和灰分的质量分数。

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表2   模拟输入的条件

Tab. 2  Simulation input conditions

参数数值来源
烟气温度/K1 073实验
探针温度/K823实验
入口速度/(m/s)15实验
飞灰质量流量/(kg/s)0.000 24实验
飞灰密度/(kg/m3)2 500文献[28]
沉积灰层孔隙率0.5文献[29]
飞灰导热率/[W/(m⋅K)]1.89文献[30]

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2 数学模型及求解

为揭示准东煤灰在换热壁面上的动态沉积和脱落过程,需要建立颗粒输运模型、颗粒沉积模型、侵蚀模型、传热模型和动网格模型。由于颗粒输运模型、颗粒沉积模型、传热模型和动网格模型已在作者先前的工作[23-24]中给出,在此主要给出侵蚀模型的构建过程。

2.1 侵蚀模型

在灰的沉积过程,沉积灰的脱落主要来自灰颗粒以及蒸汽、激波等介质这2个部分对沉积灰层的冲击侵蚀作用。

2.2.1 灰颗粒的侵蚀作用

本文基于能量守恒,通过对比反弹灰颗粒对换热壁面的冲击能量与沉积灰层内部黏附能量的大小,来确定沉积灰的脱落量。反弹灰颗粒的冲击能量在Walsh等[31]的初始研究中以定值表示,在本文中应用文献[32-33]提出的灰颗粒冲击能量计算公式对不同速度、不同粒径的灰颗粒冲击能量进行计算。当灰颗粒撞击换热壁面时,碰撞前灰颗粒所具有的能量E与冲击后的剩余能量E'计算式如下:

E=πdp2γ+112πρdp3up2
E'=πdp2γ4[D2(1-Facosθ)+83D-De2(21+Facosθ-Facosθ)]

式中:dp为碰撞灰颗粒直径;ρ为灰颗粒密度;up为碰撞灰颗粒速度;Fa为与表面粗糙度相关的有效接触面积分数,本文取0.9;θ为静态接触角,此处取一般颗粒物的67°;γ为灰颗粒表面张力系数,可由式(3)[34]计算得出;De为潜在扩散比,可由式(4)[35]计算得出;D为撞击颗粒的最大扩散比,即撞击时灰颗粒的最大扩散直径dmax与灰颗粒直径dp的比值,可基于Ni等[36]提出的扩散系数计算得出,其表达式见式(5)—(7)。

γ=-0.000 3TP+0.66
De=[4sinθtan2(θ2)(2+cosθ)]13
D=dmaxdp=We+123(1-cosθ)+4WeRe
We=ρup2dpγ
Re=dp(u-up)ρgμg

式中:Tp为碰撞灰颗粒温度;We为韦伯数;Re为雷诺数;ρg为颗粒密度;μg为气体黏度;u为烟气速度。

灰颗粒撞击后的能量耗散主要由颗粒塑性变形以及弹性波在沉积灰层中的传播和耗散引起。因此以校正系数ε[26]表征侵蚀能量占灰颗粒撞击总耗散能量的比值,碰撞灰颗粒的侵蚀能量∆E计算式如下:

ΔE=ε(E-E')

对于沉积灰层内部的灰颗粒黏附能量,基于Liu等[37]的研究,应用碱涂层表面黏附模型进行计算。上述研究认为,沉积灰层中的灰颗粒黏附能是由沉积灰颗粒表面黏性层与沉积灰层表面黏性层的表面张力作用主导的。基于此,黏性涂层的厚度计算如下:

δp=YWNa2SO4WNa2OρpρNa2SO4dps26dp
δs=YWNa2SO4WNa2OρpρNa2SO4dps23dm

式中:δpδs分别为飞灰颗粒、沉积灰层的碱黏性涂层厚度;Y为煤灰中碱性组分的质量百分比;WNa2SO4WNa2O分别为组分Na2SO4、Na2O的相对分子质量;ρpρNa2SO4分别为灰颗粒、Na2SO4的密度;dps为飞灰表面积加权平均粒径;dm为飞灰质量平均粒径。由此得出沉积灰颗粒的等效碱黏性涂层厚度应为δp+δs。由于重力比颗粒黏附力小3个数量级,因此,在建立侵蚀模型时没有考虑重力的影响。

对于一个沉积灰颗粒,通过碱涂层表面黏附模型可计算去除它所需的能量ΔEdep,其大小为

ΔEdep=2γΑdep=2πγdp(δp+δs)

式中Αdep为沉积灰的面积。

将碰撞灰颗粒的侵蚀能量ΔE与沉积灰层的灰颗粒黏附能ΔEdep相比较,即可得到能够从沉积灰层中脱落的沉积灰质量Mr

Mr=ρπdp3ΔE4ΔEdep

2.2.2 吹灰介质的侵蚀作用

在实际工业中,采用吹灰手段对积灰进行脱除[38-40]。然而,由于无法准确针对沉积灰量执行相应强度的吹灰动作,往往会出现吹灰过度和吹灰不足的情况,前者会导致管道磨损,而后者会使得积灰无法清除。针对这种情况,本文对不同阶段沉积灰的黏附能量进行了计算,随后通过确定相应的吹灰条件,使换热管恢复至清洁状态。

基于侵蚀模型计算沉积灰层黏附能,具体计算公式如下:

Edepy=i=1n(NiyΔEdepiy)

式中:Edepyy时刻灰颗粒在换热管道的总黏附能;NiyΔEdepiy分别为y时刻换热管道网格面i中的沉积灰颗粒数量、平均黏附能;n为换热管道网格面总数。实际过程中,由于颗粒间可能存在范德瓦尔斯力、静电力和烧结作用力等,颗粒的总黏附能计算较为复杂,本文暂未考虑这些影响力,而只是将其简单等效为颗粒的叠加。

吹灰过程需要提供足够的冲击能量才能将沉积灰清除。本研究中,假设在换热管道正前方50 mm处设置一直径为5 mm的空气吹灰器,通过空气射流对换热管道沉积灰进行吹扫。

空气射流在传播过程中存在能量耗散的问题,本文结合气体射流公式与物理模型几何特征对其进行计算。从射流出口到换热壁面的断面平均空气流速变化以及断面空气质量流率变化计算式分别为:

v1v0=0.19asr0+0.294
Q1Q0=2.2(asr0+0.294)

式中:v1v0分别为换热壁面断面处的空气流速、射流出口空气流速;a为射流紊流系数,与射流角度相关,本文选取圆形喷嘴紊流系数0.066;s为射流出口至换热壁面断面的直线距离;r0为射流出口半径;Q1Q0分别为换热壁面断面处的空气质量流率、射流出口处的空气质量流率。

空气射流到达换热管道处时,其覆盖范围会大于换热管道面积。本文在计算冲击能量时,仅对换热管道截面内的冲击能量进行了计算,将高速空气动能等价于吹灰冲击能量,使其恰好与换热管道平均黏附能相同。

2.2 模型求解

使用FLUENT对所构建的模型进行求解。求解设置时,采用SIMPLE求解器进行速度-压力耦合求解;压力、动量、湍流耗散率等均采用二阶迎风离散;湍流计算应用k-ω模型与壁面函数法进行求解;辐射换热采用P1模型并考虑颗粒与气体间的辐射换热;沉积表面处的流固耦合传热采用耦合换热模式进行求解;气固两相流通过离散相模型进行计算,考虑到相间的相互作用,为使流场计算更加精确,启用随机游走模型与随机涡寿命模型[41-42]

为加速模型计算,本文采用了异步生长法。当流场稳定后,假设沉积生长速率在一段时间内恒定(本文设置为1 s),即在数值上以一个时间步长的100倍代表实际过程中1 s的沉积速率,网格变化时,同样以单位时间步长的100倍进行网格变化。通过这种方法能够大幅度减少计算时间,且该方法已被大量使用[26-28]。本文选择模拟计算时间为6 h,与先前实验研究[27]一致。

在数值计算前,本文还进行了网格无关性分析,共生成了网格总数为52 381、109 884和136 921的网格系统,并在109 884与136 921网格数下得到了相似的结果。为节约运算时间,选择网格数为109 884的网格系统进行计算[23]

3 结果与讨论

3.1 模型验证

图1给出了积灰厚度及其分布特性模拟结果与实验结果的对比情况。可知,无论是实验研究还是数值模拟研究,积灰厚度均呈现出迎风面驻点处最高、向两侧位置发展依次降低的趋势,证实了数值模拟研究灰沉积的可行性。具体而言,未引入侵蚀模型时,模拟的灰锥高度约为3.3 mm[23],比相同6 h实验研究结果的3.0 mm高出0.3 mm;引入侵蚀模型后,灰锥的沉积灰层高度降至3.1 mm,与实验结果相比仅差0.1 mm。这表明侵蚀模型的引入使模型的精度更高,也证实了侵蚀模型的可靠性以及整体沉积数值模拟的准确性。

图1

图1   积灰厚度及其分布特性模拟结果与实验结果对比

Fig. 1   Comparison between simulated and experimental results of deposited ash thickness and its distribution characteristics


此外还发现,耦合侵蚀模型后的积灰厚度模拟结果在驻点处与未耦合的结果相差最大,说明由侵蚀导致的灰颗粒脱落行为在迎风侧的驻点处最为显著。这主要是因为:在驻点处的灰颗粒会产生更多的碰撞、反弹,由此对该区域产生更大的法向冲击能量[36];该区域沉积灰颗粒粒径较小,黏附能也相对较低。两者综合作用,导致此处侵蚀现象较为严重。而在换热管道两侧,这种侵蚀效应随着反弹灰颗粒数量的减少与平均沉积灰颗粒粒径的增大而减弱[23]。值得说明的是,本文仅计算了灰颗粒的法向冲击能量,在非驻点处可能还存在灰颗粒的切向速度对沉积灰层的滑移脱落作用[32-33],在模拟时对此暂未考虑。

3.2 沉积灰的动态增长与脱落特性

图2给出了有无侵蚀模型时的沉积灰形貌,可知,随着时间的推移,沉积灰的高度整体呈增高趋势。但是由于灰颗粒的侵蚀作用,引入侵蚀模型的沉积灰在同一时刻比未引入侵蚀模型时偏低。此外,驻点处法向碰撞的颗粒数最多,侵蚀脱落现象也最为严重,采用侵蚀模型后驻点处沉积灰厚度的减小更加明显。

图2

图2   有无侵蚀模型时的沉积灰形貌

Fig. 2   Morphology of deposited ash with and without erosion model


图3给出了换热管道沉积灰质量以及脱落的质量随时间的变化规律。由图3可以看出,不耦合侵蚀模型时,沉积灰的质量随时间呈线性变化规律,变化速率在6 h内相对较小,形成相对稳定的积灰生长过程。这主要是因为灰颗粒质量流率为恒定值,而其他因素(如沉积灰层形貌和沉积灰表面温度)的变化对沉积速率的影响相对较小[23]

图3

图3   换热管道沉积灰质量及脱落质量随时间的变化规律

Fig. 3   Variation patterns of deposited ash mass and shedding amount in heat exchange tube over time


耦合侵蚀模型后,沉积灰的质量在前1.5 h内与无侵蚀模型时基本一致,但随着时间的推移,沉积灰的质量逐渐降低,在6 h处已经与无侵蚀模型有了明显的差异,表明由飞灰颗粒侵蚀导致的脱落现象越来越显著。而就侵蚀脱落速率而言,沉积灰侵蚀脱落速率在初始1.5 h内基本维持在0.000 12 kg/(m⋅h);随后在1.5~3.5 h阶段逐渐变大并在3.5~4.5 h阶段达到峰值,且在最后的4.5~6 h保持此水平。此外还可以发现,脱落的沉积灰质量约占总沉积量的25%,说明由飞灰颗粒本身冲击造成的积灰脱落量相对较少,还需要其他手段[27]来清除受热面上的积灰。

在入口灰颗粒恒定的情况下,沉积灰侵蚀脱落质量由灰颗粒的平均黏附能控制,而这又由不同网格面的沉积灰颗粒平均粒径与沉积灰层表面温度(表面张力系数)决定[37]图4给出了沉积灰平均粒径随时间的变化。其中,驻点处的平均粒径曲线为换热管道迎风侧驻点处对应网格面内的沉积灰颗粒平均粒径,也就是驻点处网格面内的平均黏附能计算粒径;而整个换热管道表面的平均粒径由整个换热管道上的沉积灰颗粒粒径进行平均得到。由图4可得,换热表面总沉积灰颗粒的平均粒径随时间的变化趋势较平缓,虽然在灰沉积初期(2 h内)有小部分下降趋势,但在2 h后平均粒径呈缓慢上升趋势。由此可以发现,侵蚀脱落的沉积灰质量与沉积灰颗粒平均粒径并不是完全一一对应。

图4

图4   沉积灰平均粒径随时间的变化

Fig. 4   Variation of average particle size of deposited ash over time


实际上,因驻点处碰撞颗粒数最多,侵蚀脱落现象最严重,采用该区域的平均粒径最能代表沉积灰的脱落过程。如图4所示,驻点网格面处沉积灰颗粒平均粒径在灰沉积4 h内呈现减小趋势,4 h后逐渐增大,这与图3所示的沉积灰脱落质量变化相对应,证实了颗粒粒径对侵蚀脱落的影响。这主要是因为,初期沉积灰量较少,沉积灰层整体偏平缓,更多的灰颗粒能够以法向方向直接撞击,导致沉积灰颗粒粒径偏小;而经过一段时间后,沉积灰层呈明显圆锥状,此时圆心角较小,更多灰颗粒斜向撞击换热壁面,导致沉积灰颗粒粒径逐渐变大[23]

图5给出了沉积灰表面温度随时间的变化规律,可知,沉积灰层表面温度在沉积初期(4 h内)变化较快,随着灰沉积时间越久,其变化趋势越趋于平缓。这是因为温度越高,颗粒的黏附能越大,因此沉积灰的侵蚀脱落倾向在积灰后期逐渐减缓。

图5

图5   沉积灰表面温度随时间的变化规律

Fig. 5   Variation patterns of surface temperature of deposited ash over time


3.3 积灰传热损耗

准东煤灰在受热面上的沉积会影响管外烟气与管内工质的传热,使换热效率降低,进而造成能量损失。因此,本文计算了积灰动态沉积过程的传热损耗变化,计算结果如图6所示。可知,在受热面无积灰的情况下,管道表面与烟气间的温差为238 K。在这种情况下,管外烟气与管内工质的热流量为恒定值7 200 W。随着灰的沉积,管外烟气与管内工质换热的热流量呈抛物线下降趋势,与文献[25]研究结果一致。积灰1 h后,积灰程度相对较轻,但此时管外烟气与管内工质的热流量已经降为6 000 W左右,出现了10%的传热损耗。积灰6 h后,受热面形成高度为3.1 mm的灰锥,此时的热流量降低至3 500 W,积灰的存在导致50%的传热损耗,管外烟气与管内工质的换热效率大大降低。

图6

图6   管内外热流量随时间的变化关系

Fig. 6   Variation of heat flux inside and outside tube over time


图6中的阴影区域即为运行一段时间累积的传热损耗量,其具体数值见表3。随着积灰的发展,平均传热损耗速率逐渐增大。这主要是因为灰沉积时间越长,沉积灰层厚度越大,传热削弱效果越显著。而在较短的时间(如3 h)内,平均传热损耗速率为1 h时间段的1.38倍。在工业应用过程中,可根据运行情况确定相应的吹灰频率,以降低积灰导致的传热损耗。

表3   传热损耗率随时间的变化关系

Tab. 3  Variation of heat transfer loss rate over time

灰沉积时间/h传热损耗/kJ平均传热损耗速率/(kJ/h)
17 145.417 145.41
217 236.448 618.22
329 597.169 865.72
443 663.3110 915.83
559 052.2111 810.44
675 547.7112 591.28

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3.4 积灰黏附能与吹灰强度计算

通过计算沉积灰颗粒的平均黏附能,还可以对不同积灰阶段沉积灰脱除所需要的条件进行计算。表4给出了不同积灰时间段沉积灰颗粒的平均黏附能和所需的吹灰质量流率。可知,随着灰沉积时间的延长,换热管道沉积灰黏附能逐渐增大,6 h灰沉积时间段的换热管道沉积灰黏附能为1 h灰沉积时间段的6.11倍;吹灰装置所需空气出口质量流率也相应变大,6 h灰沉积时间段的吹灰装置出口质量流率为1 h灰沉积时间段的1.85倍。因此,在不同的积灰时间段吹灰时,还应当相应地调整吹灰的压力和空气(蒸汽)流量,以最大程度避免吹灰过度或吹灰不足现象。值得说明的是,现有研究暂时没有考虑沉积灰烧结使黏附能增大的情况,后续工作可结合灰的烧结以及烧结前后颗粒间的黏性变化[19, 31],进一步改进现有的侵蚀模型,确保模型的准确性和工程实用性。

表4   沉积灰的平均黏附能和所需的吹灰质量流率

Tab. 4  Average adhesion energy of deposited ash and required mass flow rate for soot blowing

灰沉积时间/h换热管道沉积灰黏附能/J吹灰装置出口质量流率/(kg/s)
1302.390.003 9
2597.010.004 9
3884.620.005 6
41 201.730.006 2
51 525.690.006 7
61 847.790.007 2

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4 结论

建立了耦合侵蚀机理的灰沉积脱落数学模型,对准东煤灰在受热面上的动态沉积和脱落特性进行了数值模拟研究,主要得到以下结论:

1)耦合侵蚀机理的灰沉积模型与未耦合的相比,预测精度更高(与实验误差仅为3.3%),预测结果更为可靠。

2)灰颗粒的黏附沉积速率相对稳定,但沉积灰的侵蚀脱落速率呈先增加后趋于平缓的趋势。准东煤灰自身的侵蚀作用仅能使25%的沉积灰脱落。

3)沉积灰的积累使得传热损耗和颗粒的黏附能逐渐增大,吹灰出口质量流率需要同步提高才能有望清除全部积灰。

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