煤燃烧反应动力学参数的测定方法

煤燃烧反应动力学参数的测定方法薛宁,姚伟西安热工研究院有限公司,陕西西安710032摘要]介绍了煤粉燃烧反应模型和西安热工硏究院有限公司携带流反应炉(EFR)试验台,并将试验获得参数用于一维火焰炉燃烧试验模拟。通过不断修正,使数值模拟结果与维炉试验结果尽量接近,从而获得更实用的煤燃烧反应动力学参数。建立了煤反应参数与煤质基本特性间的多元非线性关系式。关键词]煤粉燃烧;反应动力学;携带流反应炉;一维炉;数值模拟[中图分类号]TK16文献标识码]A[文章编号]1002-3364(2011)01-0023-04DOⅠ编号]10.3969/j.issn.1002-3364.2011.01.023METHOD FOR DETERMINING DYNAMIC PARAMETERSIN REACTION OF COAL COMBUSTIONⅩ UE Ning, YAO WeiXi'an Thermal power Research Institute Co ltd xi'an 710032 Shaanxi province PrcAbstract: The combustion reaction model of pulverized coal and the test stand of entrained flow reactoof the TPRi Co Ltd have been presented, and the measured parameters being used for combustion testsimulation of one-dimension flamo furnace. By adjusting the parameters manually and repeatedly, thenumerical simulation results are moved to close the test results as possible, thereby, more practical dynamic parameters in reaction of coal combustion being obtained, and formulae of multiple non-linearrelationship between the parameters in reaction of coal combustion and the basic properties of coalquality being establishedKey words: combustion of pulverized coal; dynamics in reaction; entrained flow reactor; one-dimension能furnace: numerical simula研对锅炉炉内煤粉燃烧过程进行数值模拟计算时EFR试验台的设计和运行控制均是基于实际锅究煤的反应动力学参数是必不可少的基本数据。西安热炉内煤粉的燃烧过程:进入炉膛之初,煤粉颗粒首先经工研究院有限公司(TPRⅠ携带流反应炉(EFR)可用受很强的来自炉内火焰和高温炉墙的辐射加热,温度来进行各种煤粉燃烧反应动力学参数的测试,如煤粉升高,当颗粒温度升高到一定程度,挥发分即进行燃备巨的热解试验、焦炭制备和焦炭燃烧试验等。烧。煤粉热解对中国煤化x长重要,EFRCNMHGE-mail: xuening( tpri. com.cn可用来模拟研究这一过程。为了避免燃烧的发生,焦炭颗粒表面反应速率k。可用阿累尼乌思定律EFR模拟煤粉热解的试验在惰性气氛下进行。煤燃表示烧的第二个重要过程是焦炭的燃烧,焦炭燃烧是一个k。=A.exp(=Eg·m异相反应过程,当焦炭颗粒温度足够高且氧气扩散到焦炭表面的情况下,焦炭开始燃烧式中:A。为焦炭燃烧反应频率因子;E。为焦炭燃烧反应活化能,J/mol1EFR反应模型2携带流反应炉1.1热解煤粉热解的产物(挥发分)中含有可燃气体、二氧携带流反应炉示意见图1。煤粉颗粒通过螺旋给化碳和水蒸气等。影响挥发分生成量的主要因素有颗粉机送入燃烧器,再经由燃烧器进入炉膛。煤粉颗粒粒类型、加热速率和最终温度水平等。最简单的一阶和一次风沿着炉管中心线进入炉内,来自二次加热器热解反应模型方程可表示为:的两股二次热风对冲进入燃烧器,经由燃烧器头部的圆形多细孔的气流梳直板进人炉内。取样枪由炉底伸式中:为累计生成的挥发分量占初始煤粉多(1)人炉内收集焦炭样品,被收集的样品首先被枪头部的KOV-V)量的百速冷气体熄灭反应,停止反应的焦炭样品穿过取样枪分比,%;t为时间;K为速率常数;Vm为最大挥发分绝大部分大颗粒由旋风分离器收集,较小的颗粒则被产量,%收集在滤纸上。通过调整旁路气体流量可以将炉膛内通常V要大于常规分析获得的挥发分数值。挥压力设定为零表压发分产量可通过测定经过一定停留时间和颗粒温度下的失重率获得。反应速率系数用 Arrhenius定律表气体入口二次气加热器K- Koexp((2)RT给粉机式中:K。为热解反应频率因子;E。为热解反应活化燃烧器能,J/mol;R为通用气体常数,8.314J/(mol·K);T炉膛煤粉流为颗粒温度,KVm、K。和E。对不同煤种是不同的,通过EFR测取样枪试可获得这些参数。旋风子过滤器取样泵1.2异相燃烧旁路气泵热焦炭燃烧过程受2个条件的控制:氧气向颗粒表能面的扩散和氧与焦炭的异相反应。焦炭总反应速率可图1EFR试验台础表示为研3试验方法与结果11究kr k(3)式中:kr为焦炭的总反应速率;kd为扩散反应速率;k。煤粉热解反应和焦炭制备过程是用煤粉颗粒作为热为焦炭颗粒表面燃烧反应速率试验样品,由于氮气在高温下易与碳化硅发生反应,因由失重率测得的反应速率为总体反应速率k。此本试验用纯氫气作为载气;焦炭燃烧反应是用制得电·二0氧气向焦炭表面扩散的速率可表示为的焦炭作为样品,用氩气和氧气的混合气体作为载气4.98×10-127中国煤化工右,以模拟煤粉燃烧过程Pa(4)t-HeNMHG式中:dp为颗粒直径,m;Tm为反应气体与颗粒平均煤粉热解和焦炭燃烧反应通常在3~4个温度水温平下进行,用取样枪收集3~4个取样位置的反应试样进行分析。13.0样品失重率通过“灰跟踪”的方法计算,可表示为13.2△Wa=A.(1-An(6)-13.5式中:△W为无灰基失重率,%;A为收集样品灰分含5-13.65502.8x+9.7839量,%;A为初始样品灰分含量,%。139R2=0.75反应器炉管不能进行炉内温度测量,也不可能进14.15.50E-046,00E-046.50E-047.00E-047.50E-048.00E-04行颗粒温度和颗粒停留时间的测量,而这几个参数是计算煤反应动力学参数所必须的。对此,应用PC图3大同煤焦炭燃烧反应参数回归曲线Flame程序或直接用CFX- TASCflow来进行上述各参数的计算。 PCFlame是 TASCflow的简化版,可用4计算与试验结果比较来进行二维或轴对称三维计算域内的流动、燃烧和传热过程数值模拟计算。EFR试验的焦炭燃烧和热解以TPRI一维火焰炉为对象,用计算软件对测试反应数据处理均包括一个曲线回归和 PCFlame辅助结果进行模拟计算,并与一维炉试验测试结果对比(图计算相结合的迭代过程用半对数坐标绘出Ln(K)与(1/RTp)的回归直线,其斜率即为活化能E,其y轴截距即为频率因子140051300tA。用得到的A与E带入 PC Flame重复上述过程直到两次得到的A与E相对偏差小于10%为止。明11001000在EFR试验台上,对国内典型神华烟煤与大同煤进行试验。将两种煤均磨制至50~75m,反应器炉30.40.50.60.70.80.91.0壁温度设定在1000、1150、1300℃,制焦过程壁温设测点位置(占全火焰长)%定为1350℃。取样枪取样位置距离燃烧器出口分别图4大同煤计算与实测结果比较(第1次)选在0.6、0.75、0.9m,制焦过程取样位置为1.2m试验结果见表1、图2和图3粗略分析实测与计算曲线的差别认为:测得的煤粉热解反应动力学参数要“快”于实际反应速度,或频表1EFR试验结果率因子过大或热解活化能过小,也可以认为测试的焦神华煤大同煤炭反应参数过小。将本次计算所用挥发分热解频率因热解反应频率因子Ab/S热解反应活化能E/J·mol66397.20982.77子适当缩小,热解活化能适当放大后重新计算,第2次挥发分最大产率系数Q计算结果与实测结果对比见图5。由图5可见,两曲焦炭反应频率因子A线前段的差别缩小,说明修正后的热解动力学参数用热3,85E-055.64E-0于实际模拟更宜获得较准确结果。进一步修正焦炭燃善焦炭反应活化能E/J·mol-4,32E+044.58E+04烧反应动力学参数的频率因子与活化能,可获得计算础曲线后段与试验数据更接近的反应参数值。研2究1400三1.00y=-7334.5x+6.6218R中国煤化工0.000550.000600.000650.000700.000750.00080CNMHG1/T/K测点位置(占全火焰长)/图2大同煤热解反应参数回归曲线图5大同煤计算与实测结果比较(最终将EFR反应炉测试的动力学参数用于试验炉燃烧计算并与实测结果对比,通过曲线前、后段的差别分0别来修正煤热解与焦炭燃烧动力学参数,是获得更准确的煤反应动力学参数的有效途径。y=3E-05e对反应动力学参数与煤质基本特性数据进行了多=0.8272元非线性相关分析,得出如下形式的通用关系式Y=A+A1×X1+A2×X2+…+A17×X17EJ·mo其中Y代表反应动力学参数,X为各影响因素或其组图6焦炭反应频率因子与活化能的关系合,A(i)为系数。焦炭燃烧反应活化能E的计算系数见表2。利用活化能E计算频率因子A。的回归结果参考文献]如图6所示。[1 CFX-TASCflow User Documentation[Z2]中国动力用煤数据库的建立(总报告)R].西安热工研究院有限公司,2008.表2焦炭燃烧反应活化能计算系数3]煤粉携带流反应炉的完善与煤的动力学参数测试[R].西相应系数偏相关系数安热工研究院有限公司,2008常数A(0)=-0,125200D+054]3D燃烧数值模拟在我国大型电站锅炉中的应用——数A(1)=-0.167131D+02V(1)=0.999363D+00值计算研究报告[R].西安热工研究院有限公司,2009840281D+01V(2)=0.999659D+00A(3)=-092D-01V(3)=0.998788D+00Nvda A(4)=-0.465399D+02V(4)=0.998356D+00HA(5)=-0.530638D+02V(5)=0.998859D+00A(6)=-0,414652D+02V(6)=0.999993D+0S1aA(7)=0.242327D+01V(7)=0.347537D+0AA(8)=-0.201588D+02V(8)=0.999707D+00Aa×AA(9)=-0.183921D+00V(9)=0.996883D+00ax/AarA(10)=0.169177D+04V(10)=0.999893D+00A(11)=0.320821D+04V(11)=0.100000D+01QmrA(12)=-0.212047D-01V(12)=0.999834D+00n(Qx)A(13)=0.234419D+03V(13)=0.992D+00A(14)=0,318190D-06V(14)=0,999000D+0M1·HVtA(15)=-0.106684D+02V(15)=0.788602D+00M1·Har/AaA(16)=0.899487D+00V(16)=0.975441D+00热M,B1(Q=417=01348+06-0983复相关系数R2=0.8436276D+00R=0.918492D+00能基础研究热力发电二O热力发电》杂志由中国华能集团公司、中国大唐集团公司、中国华电集团公司、中国国电集团公司、中国电力投资集圆公司联组的西安热工研究院有限公司与中闽电机工程学会主办,为国家热能动力科学技术专业刊物,中国发电技术重要刊物,主要报道国内热能动力科学技术的基础研究和热力发电(火力、核能、地热及其它可再生能源发电)技术的开发利用,包括:化石燃中国煤化工及热力系统、电站辅电站自动控制、电厂化学、电厂金属材料、电力环境保护e YHCNMHG