运行参数变化对水煤浆流化燃烧过程的影响

第22卷第2期洁净煤技术Vol 22 No. 22016年3月Clean Coal Technology2016运行参数变化对水煤浆流化燃烧过程的影响刘丝雨,刘安源2,马玉峰(1.浙江大学能源工程学院,浙江杭州310058;2中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院,山东青岛2665803.中石化胜利发电厂,山东东营257087)摘要:为了深入了解水煤浆流化燃烧过程的规律,以“小室”为基础,结合流化床内气固两相流动及传热、水煤浆燃料的热解、挥发分及焦炭燃烧、污染物生成等子模型,建立了水煤浆在流化床锅炉中燃烧的综合数学模型。分析了当水煤浆流化燃烧装置锅炉负荷、过量空气系数及燃料中的挥发分份额等参数发生变化时炉内有关参数沿炉膛高度方向的变化规律。研究结果表明,与燃煤流化床锅炉相比,水煤浆燃烧锅炉炉膛底部的温度明显较低。另外,锅炉负荷越大,炉内温度越髙,燃烧条件越好;过量空气系数对燃烧的影响并不是单调变化关系;煤种挥发分越高越有利于燃料的燃烧。关键词:水煤浆;流化燃烧;小室模型;综合数学模型;模拟分析中图分类号:TQ534.4文献标志码:A文章编号:1006-6772(2016)02-0079-05Effects of operating parameters on fluidization combustionprocess of coal water slurryLIU Siyu, LIU Anyuan, MA Yufeng,(1. School of Energy Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 2. School of Pipeline and Civil Engineering, China University ofPetroleum Qingdao 266580, China; 3. Shengli Power Plant, Sinopec Group, Dongying 257087, China)Abstract: In order to understand the fluidization combustion process of CWS deeply, combining two-phase flow and heat transfer, pyrolysisof CWS, combustion of volatile and char and pollution generation models, the comprehensive mathematical model for fluidization combustionprocess of CWS was established on the basis of compartments. By means of the model, the axial changing characteristics of some parametersin the furmace were simulated and analyzed when the operating parameters of boilers changed. The results showed that, compared with thetemperature of fumace bottom of coal-fired fluidized bed boiler, that of CWS boiler was obviously lower. Higher boiler load and furmacetemperature as well as higher volatile of coal helped to create better combustion condition. The influence of excess air coefficient on com-bustion was not monotonic functionKey words: coal water slurry fluidization combustion; compartment model; comprehensive mathematical model; simulation analysis0引言技术,但由于水煤浆燃料中含水量较高,且燃烧产生的灰渣在高温时会发生灰渣熔融现象,因此雾化燃水煤浆是一种煤基液体燃料,由65%-70%的烧技术在一定程度上存在着燃烧稳定性及结焦问煤粉、30%~35%的水和少量化学添加剂加工制成。题。流化燃烧技术由于具有优越的燃烧稳定性能及由于水煤浆可以像燃料油一样易于装卸、储存和管低温燃烧特点能够比较容易地解决水煤浆燃烧的道输送,并且价格低廉、燃烧效率高、燃烧污染小,因稳定性及结焦冋题,目前在國内也得到了一定的应而被广泛地应用于各种锅炉和工业窑炉燃烧用°。相比水煤浆雾化燃烧技术研究,到目前为目前水煤浆在锅炉中的燃烧方式主要采用雾化燃烧止,对水煤浆流化燃烧技术的研究还较少。鉴于此,收稿日期:2015-1-08;责任编辑:孙淑君DO1:10.13226/j.isn.1006-6712.2016.02.017作者简介:刘丝雨(1994-),女,山东东营人。E-mlil:Sipulin94l0@163.com。通讯作者:刘安源副教投博士,从事煤燃烧技术及气固两相流方面的教学与科研工作。E-mail:ayi@163.com中国煤化工引用格式:刘丝雨刘安源,马玉峰运行参数变化对水煤浆流化燃烧过程的影响[J洁净煤技JU Siyu, LIU Anyuan, MA Yufeng. Effects of operating parameters on fluidization combusCNMHGua,L JJ. clean Coal Technolqgy,2016,22(2):79-832016年第2期洁净技术第22卷本文拟通过建立水煤浆流化燃烧过程的数学模型来方向按照需要划分为多个“小室”。炉膛小室划分模拟分析有关运行参数改变对流化燃烧过程的影响情况如图1所示。规律。模拟结果将对于水煤浆流化燃烧装置的设计及运行优化具有一定理论指导作用。1水煤浆流化燃烧数学模型炉膛流化燃烧数学模型按照其流动过程处理方法的1小室不同可以分为两大类,即基于“塞状流”或“环-核”i小室气固两相流动经验公式的流化床燃烧总体数学模1小室型与基于 Navier- Stokes方程的二维或三维流化床燃烧模型s。基于“塞状流”或“环-核”气固两俟费=-…相流动经验公式的流化床燃烧总体数学模型由于模烟气型求解计算量较小,同时对于各子过程的描述又建立在相对简单、成熟的经验关联式之上,因而使模型既具有较高的精度又稳定可靠。目前,该种燃烧建图1锅炉“小室”划分情况模方法在国内外流化燃烧过程数学模型研究中得到Fig. I Division of compartments in a CWS-fired boiler了较为广泛的应用对于炉膛中水煤浆滴的爆破,本文采用了简化处水煤浆流化燃烧综合数学模型以“小室”为基理方法,即认为浆滴在加入床层之后,便迅速破碎并础3。所谓“小室”( Compartment)是沿气体和固磨损为粒径均匀的碳颗粒,此后粒径不再发生变化。体的主要流动方向将流化床燃烧室划分成的一系列另外,对于水煤浆流化燃烧锅炉,由于在单位时间内内部各相关参数均匀的小空间。通过考虑各小室内的底部排渣量为0,因此,单位时间加入炉内的灰分的气固相反应及其与小室外相邻小室之间的质量和质量应等于离开分离器的烟气带走的飞灰质量能量交换建立每个小室的质量及能量平衡方程,全部小室的质量和能量守恒方程构成了流化燃烧的综2模拟结果及分析合数学模型。以小室为基础,流化床燃烧综合数学2.1模拟装置介绍模型将描述流化床内流动、传热、燃烧以及污染物排本文模拟的水煤浆流化燃烧锅炉是为胜利油田放等过程的半经验或经验公式有机地与“小室”上某锅炉房设计的,用于冬季生活小区供暖。锅炉设建立的一系列守恒方程相结合。计热负荷为14MW,送风温度为20℃,过量空气系本文在建立流化燃烧数学模型时把炉膛密相区数为1.2。该锅炉设计燃料为水煤浆,其工业分析单独作为一个“小室”来处理,稀相区则沿炉膛高度与元素分析见表1。表1设计水煤浆燃料的工业与元素分析Table 1 Proximate and ultimate analysis of Cws fuel used in boiler工业分析元素分析(Ca)%(Ha)/%v(O4)/%m(N4)/%(Sd)/%32.905.6423.75850.573.276.130.930.5618877燃烧过程中所需空气分两股进入燃烧装置,料装置送入下部密相区,并在密相区中处于流化状股作为一次风经风箱由布风板进入燃烧室下部密相态下惰性物料的加热下迅速着火燃烧。燃烧后产生区,使物料处于流化状态。另一股经设于燃烧室密的热烟气携带部分床料与着火燃烧后的水煤浆滴形相区上部的二次风系统送入燃烧室稀相区,强化热成的颗粒团rV中国煤化工装置,较大固体烟气的扰动与混合。颗粒被分离HCNMHG密相区实现循燃烧用水煤浆由设有空气吹扫与冷却功能的加环燃烧。经分离器分离后的热烟气进入后置的对流刘丝雨等:运行参数变化对水煤浆流化燃烧过程的影响2016年第2期管束换热。2.2锅炉负荷变化的影响130%负荷锅炉实际运行时经常会在偏离设计负荷的状态下工作。为了研究锅炉负荷变化对锅炉燃烧特性的3影响,分别对额定负荷、70%额定负荷以及130%额定负荷3种情况进行了模拟。在进行锅炉负荷变化的模拟时所用燃料以及过量空气系数等运行参数床料含碳量/(kg·kg")保持不变。2.2.1负荷变化对炉内温度的影响图3负荷变化对炉内飞灰含碳量的影响负荷变化对炉内温度的影响规律如图2所示。Fig 3 Effects of load on char content in flying ash可以看出,水煤浆流化燃烧炉膛内的温度分布呈中2.2.3负荷变化对炉内CO气相成分的影响间高两头低的形状。这是因为在炉膛的底部,燃料图4为炉膛烟气中CO体积份额的变化规律。刚被加入,由于燃料本身需要被加热,并且模拟的水烟气中的CO有2个主要来源,一是煤颗粒析出的煤浆燃烧锅炉的一次风不经过预热,因此炉膛底部挥发分中所包含的;二是烟气中的CO2气体也会与温度较低。在炉膛的更上一些位置,由于在底部析固体C发生还原反应生成CO。CO的消耗则是由出的挥发分开始大量燃烧,用于加热床料的热量增其与氧气进行氧化燃烧反应,从CO的分布曲线可加,因此炉膛的温度也较高。在炉膛的顶部,此时固以看出,在炉膛温度最高区域存在一个CO浓度最体床料中的可燃成分所占份额减少,燃烧放热量也低处,这是由于该处温度较高、氧气较充分使CO氧减少,因此炉膛温度开始降低。化反应较强造成的。在炉膛底部,由于该处挥发分释放的CO较多,并且由于温度低,CO氧化反应速70%负荷度较小,因此CO浓度较高。在炉膛顶部,则由于温100%负荷E 5130%负荷度较低,氧化反应较弱,CO浓度有所回升。7654006008001000120014001600炉内温度/℃C图2负荷变化对炉膛温度的影响ig, 2 Effects of load on fumace temperatureCO浓度/10在负荷增加时,可以看出炉膛内部各处的温度图4负荷变化对炉内CO浓度的影响均整体升高。特别是在炉膛的底部,燃烧放热量增Fig. 4 Effects of load on CO concentration in furnace加引起的炉膛底部的温度升高尤为明显。反之,当另外,随锅炉负荷的增加,锅炉烟气中CO浓度锅炉负荷降低时,各处炉膛温度均整体降低。分布规律基本相同,但CO浓度数值均整体升高。2.2.2负荷变化对飞灰含碳量的影响23过量空气系数变化的影响图3为锅炉负荷发生变化时,炉内飞灰含碳量模拟过量空气系数变化时,保持燃料特性不变,的变化规律。可以看出,在设计负荷下,由于炉内锅炉处于额定负荷工况给浆量下工作。的炭在不断燃烧,因此炉膛中的飞灰含碳量从底2.31过量空气系数变化对炉内温度的影响部到顶部逐渐减少。对比不同负荷时的情况可过量空气系数变化对炉内温度影响如图5所知,在过量空气系数保持不变的情况下,负荷越示。从图5可看出,随着过量空气系数a的增加高,炉内飞灰含碳量的份额整体降低;反之,负荷炉内整体温严时控温在炉膛底部越低,炉内飞灰含碳量的份额整体升高。上述现和顶部随a中国煤化工。在炉膛底象是由于负荷升高时炉内温度升高,焦炭燃烧速部,当α增加…山,NM只黑增加,床温会度加快造成的。随α增加而降低;但在炉膛顶部,由于α加大时,812016年第2期洁净媒技术第22卷燃料的燃烧过程会向后延迟,因此炉温会随α的2.4燃料挥发分变化的影响增加而增加。模拟燃料收到基挥发分变化对燃烧特性的影a=1.0响,假定燃料灰分保持不变,燃料挥发分与固定碳的a=1.2a=1.4总和保持不变。同时,锅炉负荷及过量空气系数均为额定工况参数。2.4.1燃料挥发分变化对炉内温度的影响挥发分变化对炉内温度的影响如图8所示。从图8可以看出,当挥发分增加时,由于挥发分比较容400600800100012001400易燃烧,燃烧初期的炉膛温度较高,使得后面焦炭的炉内温度/℃燃烧反应速度增加,因此在整个炉膛高度上的温度图5过量空气系数变化对炉内温度影喲均会整体增加。Fig. 5 Effects of air coefficient on furnace temperature2.3.2过量空气系数变化对飞灰含碳量的影响6V=20%过量空气系数变化对炉内飞灰含碳量影响如图日56所示。从图6中可以看出,当a过大或过小时,飞灰的含碳量均较高,在α为1.2左右时的飞灰含碳量最低。这是因为当a太大时,尽管氧气充足但床温较低;当α较小时,尽管床温较高,但氧气的量较600800100012001400少;2种情况均不利于燃烧过程的进行。炉内温度℃→a=1.0图8挥发分变化对炉内温度的影响a1.2a=14Fig8 Effects of volatile content on fumace temperature另外,图8中在距炉膛底部2~3m处不同挥发分燃料的炉膛温度比较接近,这可能与本文假定所用燃料挥发分与碳含量之和不变有关。在距炉膛底部2~3m处,尽管低挥发分燃料的挥发分燃烧放热00. 1020.30.4较小,但由于固定碳较高,其燃烧放热量要多一些,飞灰含碳量(kg·kg)因此低挥发分与高挥发分燃料在该处的燃烧温度相图6过量空气系数变化对炉内飞灰含碳量影响差不多。Fig 6 Efects of air coefficient on char content in flying ash2.4.2燃料挥发分变化对飞灰含碳量的影响2.3.3过量空气系数变化对CO气相成分的影响挥发分变化对飞灰含碳量影响如图9所示。从过量空气系数变化对CO浓度影响如图7所图9可以看出,由于挥发分增加时,炉膛温度也会随示。图7显示随着过量空气系数a的减小,由于氧之增加,焦炭的燃烧条件改善,燃烧反应速度增加,气不充足,并且烟气总量较小,因此烟气中CO的体因此炉内飞灰的含碳量会随挥发分的增加而减小。积份额增加。a=1.0a=1.26p20a=14y=30%0.4中国煤化工CO浓度/104图7过量空气系数变化对CO浓度影响CNMH(量影响Fig. 7 Effects of air coefficient on CO concentration in furnaceFig9 Effects of volatile content on char content in flying ash82刘丝雨等:运行参数变化对水煤浆流化燃烧过程的影响2016年第2期2.4.3燃料挥发分变化对CO气相成分的影响Liu Jianwen, Xie Yuqing, Chen Nan. Research and application of挥发分变化对CO浓度的影响如图10所示。preparation and combustion technology of efficient coal water mix-由图10可看出,当炉内挥发分增加时,由于煤颗ture[ J]. Clean Coal Technology 2015, 21(2): 35-39, 44[4]马玉峰,李建强,万启科.水煤浆燃烧技术及其发展[J].洁净粒中释放的挥发分增加,因此烟气中CO的体积份煤技术,2003,9(3):13-17额沿炉膛高度分布规律虽基本不变,但数值会有Ma Yufeng Li Jianqiang, Wan Qike. Coal water slurry combustion所增加。technology and its development J]. Clean Coal Technology, 2003765V=10%9(3):13-17V=20%[5]薄煜.水煤浆旋风炉高温低灰燃烧试验及模拟研究[D].杭州:浙江大学,2013Bo Yu Combustion test and simulation research of coal water slur-ry cyclone fumace with high temperature and low ash content[DHangzhou: Zhejiang University, 2013[6]马玉峰,姜秀民,万启科,等,水煤浆流化-悬浮燃烧技术在胜2利油田的应用[J].热能动力工程,2006,21(6):644-647CO浓度/10Ma Yufeng, Jiang Xiumin, Wan Qike, et al. Application of coal wa-图10挥发分变化对CO浓度的影响ter slurry fluidizationon combustion technology in SherFig 10 Effects of volatile content on CO concentrationli oilfield[ J]. Thernal Energy and Power Engineering, 2006,21(6):644-6477]李政循环流化床锅妒通用整体数学模型、仿真与性能预测3结论[D].北京:清华大学,1994Li Zheng. General mathematical model, simulation and performance1)水煤浆流化燃烧过程总体数学模型以燃煤prediction of circulating fluidized bed boiler[ D. Beijing: Tsinghua循环流化床锅炉总体数学模型为基础,并针对水煤浆锅炉不排渣连续运行的特点进行了改进。利用该[8]刘安源.流化床内流动、传热及燃烧特性的离散颗粒模拟模型计算得到了炉内温度、飞灰含碳量以及CO等[D].北京:中国科学院工程热物理研究所,2002气相组分沿炉膛高度的分布规律[9]刘安源,刘石,马玉峰,等.流化床锅炉热烟气点火过程的离散颗粒模拟[冂].中国电机工程学报,2005,25(3):120-1242)利用综合数学模型对设计条件下锅炉的工Liu Anyuan, Liu Shi, Ma Yufeng, et al. Discrete particle simulation作特性进行了模拟分析。结果表明,与燃煤循环流of hot gas ignition process of a fluidized bed boiler[ J].Proceedings化床锅炉相比,水煤浆燃烧锅炉炉膛底部的温度明of the Chinese Society for Electrical Engineering, 2005, 25(3)显较低。120-124.3)模拟了锅炉负荷、过量空气系数及燃料挥发[10]王其成气固流化床内流动和传热特性的CFD模拟与相似性分等变化对锅炉燃烧装置工作特性的影响。结果表研究D]北京:中国石油大学(北京),2009[l肖显斌杨海瑞,吕俊复,等.循环流化床燃烧数学模型[J]明,锅炉负荷越大,则炉内温度越高,燃烧条件越好;煤炭转化,2002,25(3):11-1过量空气系数对燃烧的影响并不是单调变化关系;Xiao Xianbin, Yang Hairui, Lyu Junfu, et al. Mathematical model当煤种挥发分越高时,越有利于燃料的燃烧。of circulating fluidized bed combustion[J]. Coal Conversion2002,25(3):11-16参考文献[12]沈来宏循环流化床燃烧数学模型及试验研究[J.煤炭转[1]岑可法,姚强,曹欣玉.煤浆燃烧、流动、传热和气化的理论化,1999,2(4):57-62与应用技术[M].杭州:浙江大学出版社,1997Shen Laihong. Mathematical model and experimental study of cir-[2]王柱勇,李燕君,张明中国水煤浆技术发展现状及产业化culating fluidized bed combustion[ J ]. Coal Conversion, 1999,22建议[洁净煤技术,2001,7(1):28-31(4):57-62Wang Zhuyong, Li Yanjun, Zhang Ming. The present situation[13]王勤辉循环流化床锅炉总体数学模型及性能试验[D].杭of coal water slurry technology development in China and industri-州:浙江大学,1997alization suggestion[ J]. Clean Coal Technology, 2001, 7(1): 2814]杨晨中国煤化工学模型的建模与仿真方法[3]刘建文谢雨喃陈楠高效水煤浆制浆燃烧集成技术研制[15]周陵生泥炉内整体模型应用[J].洁净煤技术,2015,21(2):35-39,44[D].上海:上海交通大学,2009