準東褐煤燃燒形成的顆粒在圓管上的沉積數值模擬

商 月，穆 林

(大連理工大學 能源與動力學院，大連 116024)

0 引 言

準東煤是產自我國新疆準格爾盆地東部的一種儲量豐富的低階煤，其灰分中普遍具有高含量的堿及堿土金屬(合并統稱為AAEM)。準東煤中高度分散的AAEM對原煤的熱解和焦炭的氣化有很強的催化作用，同時也會引起鍋爐中結渣結垢和腐蝕問題[1]。近年來，許多學者都為了研究準東褐煤燃燒后的灰分沉積行為而在實驗室規模的實驗系統[2-3]以及大型鍋爐[4]上進行了大量實驗。實驗研究表明，準東褐煤中的堿性化合物燃燒后會釋放到氣相中并凝結在換熱管上，引起灰分沉積和熱表面的腐蝕問題，對鍋爐的安全運行造成一定威脅。另一方面，灰分中存在的堿性化合物還會形成具有較低熔融溫度的共晶體，共晶體組分的增加提高了飛灰顆粒和沉積表面的黏附能力[5]。

準東煤燃燒過程中形成的灰分主要來自煤中礦物質的破碎和聚集，小部分來自煤中存在的無機物的蒸發[6]。該反應主要是由于脫揮發分和焦炭燒盡過程中細礦物質顆粒、難熔氧化物和有機結合物的汽化引起的[7]，這些物質隨后均勻成核，形成氣溶膠或與其他飛灰顆粒凝結。煤中不同大小的灰分顆粒以不同的方式形成，總的來說，較大的灰分顆粒通過聚結和破碎等機理形成，較小的灰分顆粒由汽化和冷凝機理形成。

飛灰顆粒輸運到傳熱表面的幾種主要傳輸機制有慣性碰撞、熱泳、冷凝和湍流擴散[8]，其特性主要取決于燃燒過程中的物理和化學轉化。當飛灰顆粒與沉積表面碰撞時，如果它們具有足夠黏性，則會黏附在傳熱表面上，例如在完全熔融和部分熔融的情況下，飛灰顆粒易于黏附在沉積表面。未熔融的飛灰顆粒在撞擊后通常會從換熱管或沉積表面反彈，但是如果沉積表面有足夠的黏性，其也可以被沉積表面捕獲。為了計算灰分沉積速率，已有許多學者進行了預測顆粒黏性的研究工作。Walsh等人[9]提出了一種顆粒黏附模型，該模型基于黏附效率隨著灰滴與沉積物表面之間的接觸面積增加而增加的假設，指出黏性是與灰分黏度成反比的。另一種廣泛使用的顆粒黏附模型是基于Tran等人[10]提出的熔化行為，其假設只有當灰分顆粒或沉積表面具有一定的液相時，顆粒才可能黏附。上述兩種顆粒黏附模型都試圖考慮灰分性質和爐溫對飛灰沉積的影響。

計算流體動力學(CFD)已被廣泛用于固體燃料燃燒模擬，各種沉積模型已經被開發來預測實驗室規模的測試設施以及大型鍋爐中的灰分沉積[8-10]。文中旨在基于熔融組分模型建立能夠較為準確預測高堿金屬飛灰的沉積耦合模型，并通過用戶自定義函數將飛灰沉積與堿蒸氣冷凝結合起來鏈接到FLUENT中。提出的模型考慮了顆粒的物理和化學性質、沉積物表面性質和爐子的操作條件，通過煙氣溫度、氣體成分、煙氣速度分量以及有關湍流信息來計算灰燼沉積物的形成情況。

1 模型的建立

文中采用具有均勻入口流量的單管，因為它精確模擬了位于最嚴重沉積的管束第一排中的管的狀況。如圖1所示，煙氣(質量分數組成為N2-0.758，CO2-0.166，O2-0.05，H2O-0.026)以2.8 m/s的入口速度進入矩形區域內，該計算域的寬度D為350 mm，長度為2D，中心處圓管的直徑d為40 mm。煙氣中顆粒的流量為1.153 g/s，灰分粒徑范圍為1 μm至60 μm，平均粒徑為16 μm，服從Rosin-Rammler分布。圓管周圍的第一層網格大小約為0.2 mm，以便準確預測顆粒碰撞效率和顆粒溫度。文中參考的實驗數據來源于[11]，該灰分沉積實驗在一300 kW燃燒爐中進行，其內徑為0.35 m，長度約3.95 m。爐子的中央區域放置有由不銹鋼制成的灰分沉積冷卻探頭。爐溫設置為1 373 K至1 593 K，探頭通過溫度為503 K的導熱油冷卻，高溫煙氣與冷卻探頭通過熱輻射和熱對流傳遞熱量，冷卻探頭實現冷卻的方式是將熱量通過熱傳導傳遞給導熱油。來探頭上的沉積物生長狀況由圖像采集系統在線監控。準東褐煤的揮發物含量高，灰分含量低，灰分主要是金屬氧化物，表1為低溫準東褐煤灰分的礦物成分[12]。

表1 低溫準東褐煤灰分的礦物成分(XRD)

1.1 粒子軌跡

文中基于氣相的連續相模型和顆粒相的離散相模型，通用FLUENT16.0對受限氣體顆粒流進行模擬，分別在歐拉參考系中建模和在拉格朗日參考系中追蹤粒子軌跡，使用SIMPLE算法以生成一組代數方程以實現壓力-速度耦合，選擇SST k-ω湍流模型來模擬氣體湍流波動。

顆粒的運動過程在拉格朗日坐標下由隨機軌道模型求解，沒有考慮粒子之間的相互作用或者粒子破裂。考慮到氣相與離散相之間的相互作用，顆粒在氣流中的受力是阻力、重力和其他力的平衡：

(1)

式中，FD為單位質量顆粒曳力項；gx為重力與浮力合力項；Fx為附加力，包括虛擬質量力、熱泳力、布朗力等。

FD的計算如下所示[13]：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中，μ為煙氣的動力粘度，Pa·s；dp為飛灰顆粒直徑，m；CD為曳力系數；Rep是飛灰顆粒的雷諾數。

熱泳力采用改進的Cha-McCoy方程計算：

(6)

(7)

(8)

(9)

式中，kB為Boltzman常數；dm為飛灰顆粒直徑，m；Kn為Knudsen數；R為煙氣的氣體常數；cv為定容比熱容，J/(kg·K)；γ =1.4；Sn和St分別為法向動量調節系數和切向動量調節系數，當Sn=St=1時，π1=3.23。

1.2 黏附效率

文中使用基于化學平衡計算出的灰分顆粒熔融分數的沉積模型。該模型被廣泛用于預測包含了高濃度的堿物質生物質灰分的黏附效率[7]。該模型判定飛灰黏附效率的標準基于4個熔融特征溫度：初始熔融溫度、黏附溫度、流動溫度和完全熔融溫度，分別以T0、T15、T70和T100(下標代表飛灰熔融相的占比)表示。當飛灰溫度低于T15時，其黏附效率為0；當溫度高于T70時，其黏附效率為1；當溫度在T15和T70區間內，黏附效率在[0，1]之間呈線性變化。熔融溫度和相應熔體分數由以下公式確定[13]：

(10)

酸堿比R由下式確定:

(11)

式中，T是溫度，℃；i是0、10、70、100或者c的熔體分數百分數；RCl是灰分中Cl的百分數。

1.3 積灰生長

煙氣橫掠圓管造成的沉積速率由兩部分組成，分別是飛灰顆粒的沉積和堿蒸氣直接冷凝[12]：

(12)

式中，Aarrival為由于慣性碰撞和熱泳力而到達的灰分顆粒通量；ηstick為黏附效率；Iv為堿蒸氣冷凝質量通量。

蒸氣冷凝質量通量Iv可以通過以下公式[9]確定：

(13)

Sh(Tg)=0.023Re0.8Sc(Tg)0.4

(14)

(15)

式中，Sh是舍伍德數；Sc是施密特數；Re是雷諾數；Dv(T)是煙氣溫度Tg或沉積表面溫度Ts下的蒸氣擴散率；pv(Tg)堿蒸氣分壓；pv，s(Ts)是飽和蒸氣壓；Dh是流道的水力直徑；Rg是氣體常數。在這項研究中，只考慮到氯化鈉(NaCl)的堿蒸氣，因為NaCl是根據化學平衡計算研究的準東煤的主要堿金屬氣相。

考慮到沉積物的性質隨著時間也在發生著變化，文中隨著沉積時間更新沉積物表面溫度、孔隙度和熱導率以得到更精確的模擬結果。表面溫度是根據總熱通量和更新后的沉積物特性來計算的，計算中需要的數據會記錄在用戶自定義內存里以方便調用。

2 結果和討論

顆粒撞擊和黏附的預測對于模擬灰燼沉積形成至關重要，因為顆粒的撞擊和黏附決定了可能黏附在沉積探針表面的到達顆粒的數量[14]。文中模擬了不同粒徑的飛灰顆粒對于煙氣速度與爐溫的響應情況，同時分析了慣性碰撞、熱泳和堿蒸氣直接冷凝三種沉積機制在各個階段的對比情況與原因。

2.1 煙氣速度對沉積特性的影響

圖2為直徑為5、25、50 μm的飛灰顆粒在不同煙氣入口速度下碰撞效率隨著沉積時間的變化情況。從圖中可以看出，5 μm飛灰顆粒的碰撞效率總體上是隨煙氣入口速度的增大而降低的。隨著煙氣入口速度的增大，飛灰顆粒的慣性隨之增大，煙氣對飛灰顆粒的卷吸作用減小，導致渦旋影響下的撞擊到圓管背風側的飛灰顆粒減少。與此同時，隨著圓管表面積灰層的生長，其表面溫度的升高導致圓管近壁面處的溫度梯度減小，飛灰顆粒受到的熱泳力減小。25 μm飛灰顆粒的碰撞效率總體上是隨煙氣入口速度的增大而變大。25 μm飛灰顆粒主要通過慣性碰撞沉積在圓管迎風側，慣性的增大導致其對煙氣主流的跟隨性變差，因此更趨于與圓管迎風側碰撞。50 μm飛灰顆粒的碰撞效率總體趨勢上也是隨著煙氣入口速度增大而變大，且飛灰顆粒的碰撞效率隨時間變化呈現較為平緩的下降趨勢。

2.2 爐溫對沉積特性的影響

圖3顯示了直徑為5、25、50 μm的飛灰顆粒在不同煙氣入口溫度下碰撞效率隨沉積時間的變化情況。從圖3可以看出，煙氣溫度的變化對幾種不同直徑的飛灰顆粒的碰撞效率均不造成較大影響，煙氣溫度從1263上升到1593的過程中，飛灰顆粒碰撞效率的最大波動僅為0.08。飛灰顆粒所受到的熱泳力正比于ΔT/Tg，其中的Tg為煙氣溫度，ΔT煙氣溫度與沉積表面溫度的差值。ΔT/Tg和煙氣溫度之間并非是正比例關系。沉積表面溫度隨著積灰層不斷生長而升高，熱泳力逐漸減小，這導致碰撞效率隨著沉積時間降低。5 μm飛灰顆粒受熱泳力影響較大，故對比之下碰撞效率波動較為明顯。煙氣溫度主要通過影響飛灰顆粒的黏附效率影響積灰生長。煙氣入口溫度的升高導致飛灰中熔融組分含量的增大，到達積灰表面的飛灰顆粒更易于黏附在上面，這是爐溫變化對沉積產生影響的主要原因。

2.3 冷凝對沉積特性的影響

圖4可以觀察到，在沉積發生的前30 min，總的顆粒黏附效率急劇增大，隨后碰撞效率增長率減小，直至趨于平緩，與此同時沉積表面溫度相應增加，然后溫度變化逐漸平坦。隨著沉積表面溫度的升高，圓管表面沉積物的熔融組分增大，導致沉積表面黏性增強，黏附效率就隨之增大。管壁在積灰發生的前期溫度較低 ，煙氣中的堿金屬成分易于凝結，這也是造成顆粒黏附效率急劇增大的部分原因。堿金屬成分凝結對黏附效率和沉積物造成影響是通過以下三種途徑：(1)部分揮發的堿金屬成分均勻凝結形成亞微米氣霧，然后通過熱泳沉積到換熱表面[13]；(2)部分揮發的堿金屬成分在大粉煤灰顆粒上不均勻地冷凝，這增大了粉煤灰表面粘性[6]；(3)部分揮發的堿金屬成分凝結在沉積物表面上以增加沉積表面的黏附可能性。

圓管的較低表面溫度促進了初始層的生長，小顆粒的熱泳和堿蒸氣冷凝在這一階段較為活躍，隨著沉積物的表面溫度升高到可以促進熔融和燒結以形成燒結層的程度，燒結層的進一步生長則由較大的飛灰顆粒慣性沖擊決定。

圖5可以看出，慣性碰撞是主要的沉積機制，堿蒸氣直接凝結產生的沉積質量與總累積沉積質量之比在初始階段僅占11.2%，而在最終階段僅占0.15%，由慣性碰撞引起的相對堆積沉積質量幾乎是由熱泳引起的相對九倍大。這是因為堿蒸氣冷凝主要存在于沉積階段的前期，堿相(NaCl)的飽和蒸氣壓隨沉積表面溫度的升高而增加。當飽和蒸氣壓足夠高時，根據直接堿蒸氣冷凝模型[12]，堿蒸氣(NaCl)的分壓不能支持直接蒸氣冷凝。

3 結束語

文中通過建立飛灰顆粒沉積與堿蒸氣冷凝相耦合的模型，研究了煙氣溫度、煙氣速度和沉積機制對沉積的影響，結果總結如下:

(1)煙氣速度主要通過影響飛灰顆粒的碰撞效率對沉積產生影響，小顆粒的碰撞效率隨煙氣速度的增大而減小，大顆粒則相反。

(2)爐溫對飛灰顆粒的碰撞效率影響不大，其主要通過影響飛、灰顆粒的黏附效率對沉積產生影響，較高的爐溫可促進灰燼顆粒的熔融和粘性沉積層的形成。

(3)堿蒸氣冷凝主要作用在沉積產生的前期，對沉積物的形成和黏附效率的增大的影響不可忽視。