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《熱能動力工程雜志》2014年第三期

1帶灰層擴散阻力的焦炭燃燒模型

如圖1所示，直徑為d的焦炭顆粒燃燒時(此時水分、揮發(fā)份已析出完畢)，最外層會形成一層氣膜，往里是多孔灰層，中間為未燃燒的碳核，直徑為dc。隨著燃燒的進行，灰層慢慢變厚，dc慢慢變小，直到未燃燒碳核完全燃盡dc=0為止。以氧氣和焦炭反應(yīng)為例，假定氧氣和焦炭反應(yīng)全部生成CO，即C+0．5O2→CO。氧氣要到達(dá)顆粒中心與未燃燒的碳核反應(yīng)，必須穿透顆粒表面的氣膜和多孔的灰層，氧氣在穿透氣膜和灰層的過程中濃度會逐漸降低。假定氣膜外表面即氣相空間中的氧氣濃度為C∞，灰殼外表面的氧氣濃度為Ca，碳核外表面的氧氣濃度為Cc。氧氣的消耗速率與碳核表面積，動力速率以及表面的氧氣濃度成正比:

2計算實例

計算對象為某電站1025t/h亞臨界鍋爐，如圖2所示。該爐膛設(shè)計采用的是一、二次風(fēng)同心反切燃燒技術(shù)，四角切圓燃燒方式和供風(fēng)噴口具體布置情況如圖3所示。A、B、C、D、E分別為5層一次風(fēng)噴口(本次運行工況中E為關(guān)閉狀態(tài))，其它均為二次風(fēng)噴口。表2－表4分別給出了計算煤種成分分析、供風(fēng)參數(shù)和計算時用的粒徑分布。主要模型設(shè)置:k－ε湍流模型，有限速率/渦耗散氣相反應(yīng)，P－1輻射模型，濕燃燒模型模擬水分蒸發(fā)過程，雙競爭反應(yīng)模型描述揮發(fā)份析出速率，多表面反應(yīng)模型計算焦炭反應(yīng)速率。根據(jù)前面所建立的帶灰層擴散阻力的縮核燃燒模型，將該模型用自定義顆粒表面反應(yīng)速率的方式(調(diào)用用戶自定義函數(shù)中的DEFINE_PR_RATE宏)覆蓋FLUENT自帶的表面反應(yīng)速率模型。

3計算結(jié)果

表5給出了FLUENT自帶的焦炭燃燒模型和改進模型與測試結(jié)果的對比?？梢钥闯觯詭Ｐ陀捎诤雎粤嘶覍訉θ紵龤怏w的擴散阻力，求得的飛灰含碳量僅為0．1%，幾乎完全燃盡，與測試結(jié)果2．2%有本質(zhì)區(qū)別。而改進模型求得的飛灰含碳量為3．1%，與測試結(jié)果較為接近。此外，自帶模型和改進模型求得的爐膛出口O2體積百分比分別為3．0%和3．3%，與測試結(jié)果3．2%都比較接近，一個略偏低，一個略偏高，都在±10%誤差范圍內(nèi)，完全可以接受。圖4和圖5分別為自帶模型和改進模型算出的溫度場分布，可以看出，由于自帶模型的焦炭燃燒速率過快，在接近煤粉噴口的地方溫度就迅速達(dá)到1902K，到接近爐膛出口，由于煤粉已經(jīng)基本燃盡，不再釋放熱量，溫度下降到1079．7K。相比之下，改進模型的焦炭燃燒稍慢，但更加持久，在爐膛中心最高溫度也就1713．4K，而接近爐膛出口時由于焦炭尚未燃盡，尚可釋放化學(xué)能，溫度為1117K，比自帶模型要高約40K。由此可見，加入了灰層擴散阻力的新模型使焦炭整個燃燒過程變得勻速而持久。圖6和圖7分別為自帶模型和改進模型的D層燃燒器橫截面上的速度場?？梢钥吹?，自帶模型該截面上的最高速度為34．85m/s，較改進模型的33．34m/s要大。這是由于自帶模型焦炭燃燒較快，局部氣體溫度更高(如圖4和圖5所示)，所以劇烈的氣體膨脹引起更高的氣流速度。

4結(jié)論

為了考察改進模型的準(zhǔn)確度，對某1025t/h鍋爐分別用自帶焦炭燃燒模型和改進模型進行試算，結(jié)果表明:(1)自帶模型由于忽略了灰層對燃燒氣體的擴散阻力，求得的飛灰含碳量僅為0．1%，改進模型求得的飛灰含碳量為3．1%，與測試結(jié)果2．2%更為接近?？梢?，改進模型修正了自帶模型容易“完全燃盡”的弊端，飛灰含碳量更加符合實際情況。(2)自帶模型和改進模型求得的爐膛出口O2體積百分比分別為3．0%和3．3%，與測試結(jié)果3．2%都比較接近，誤差在±10%范圍內(nèi)。(3)與自帶模型相比，改進模型預(yù)測的爐膛溫度場分布更均勻，爐膛中心最高溫度較低而爐膛出口溫度更高。

作者：陳世和朱亞清羅嘉季俊杰單位：廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院上海開利研發(fā)中心