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高温条件下焦炭反应特性实验研究及层燃数值模拟

林鹏云  
【摘要】:我国能源结构以煤为主,工业锅炉每年消耗原煤约5亿吨,是仅次于燃煤电厂的第二大耗煤大户,本文的研究对象针对量大面广的燃煤链条炉排锅炉。我国链条炉排锅炉燃用煤种复杂,特别是链条炉排锅炉层燃的燃烧方式本身较为复杂,加之长期以来得不到足够的重视,缺乏系统深入的研究,导致设计和运行水平都比较落后,运行效率低下的问题十分突出。 针对链条炉排锅炉焦炭在高温床层环境下长时间停留反应性变差不易燃尽的特点,对高温条件下焦炭反应性变化规律进行了深入的研究,对包括煤种、温度、停留时间以及焦炭灰分中的矿物质成分相互作用等影响焦炭反应性的主要因素进行了比较分析,并从焦炭微观晶体结构的角度对高温下焦炭反应性发生变化的机理原因进行了解释。实验结果表明焦炭反应性会随着温度的升高、停留时间的增加而下降,煤中的矿物质在较低的反应温度下对焦炭燃烧反应起到催化作用,但是随着温度的升高催化作用会逐渐减小。导致高温条件下焦炭反应性发生变化的主要机理原因在于焦炭晶体结构在高温下趋于规则化。根据实验数据对焦炭反应性的变化规律建立计算模型,为层燃数值计算提供依据。 针对层燃中后期焦炭颗粒的灰层扩散阻力是影响焦炭燃烧速率的主要因素之一,搭建了大颗粒煤燃烧热重实验台,并对典型煤种的焦炭反应速率、灰层厚度随反应时间的变化规律进行了实验研究,结果表明不同煤种的灰层有效扩散系数均随反应进行呈下降趋势,且与灰层厚度之间符合指数关系,说明在大颗粒焦炭的燃烧过程中,随着反应的进行,燃烧后期空气穿透灰层的阻力会不断增大,通过实验数据可以计算出不同煤种的灰层扩散阻力系数,为层燃模型考虑灰层扩散系数的变化提供计算依据。 建立层燃数值模型是研究层燃特性的有效手段,基于大颗粒煤的燃烧特性,根据实验研究的结果,建立了考虑焦炭反应性下降和灰层阻力扩散系数变化的二维稳态层燃模型,实现对燃煤链条炉排锅炉燃烧的数值模拟。为了校验层燃模型计算结果的准确性,搭建了层燃单元体炉实验台模拟链条炉排锅炉的燃烧工况。通过层燃实验台进行实验研究,进一步分析了床层燃烧的过程与特点以及对焦炭反应性的影响。在实验研究的基础上,以单元体炉为对象进行建模计算,并将单元体炉层燃实验数据与层燃模型的计算结果进行了比较分析,验证了层燃模型计算结果的准确性。层燃模型能很好地体现焦炭在床层燃烧过程中反应性以及灰层扩散阻力系数的变化特性。应用层燃模型对配风方式、颗粒大小以及床层高度这三个床层燃烧的主要影响因素进行了比较分析,为实际链条锅炉的优化运行提供了理论指导。 最后,针对一台20 t/h典型燃煤链条炉排锅炉的煤层表面气氛进行了现场测试和建模计算,通过测试数据与计算结果的比较,验证了层燃模型可用于实炉运行工况的评估。在此基础上,应用层燃模型针对实炉的不同配风工况进行了数值计算和比较,提出了考虑焦炭反应性影响的调整配风方式,并进行实炉调整,得到预期效果,为今后采用层燃模型进行链条炉排锅炉的设计和运行调整提供更为可靠的科学依据。


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