曾國(guó)兵

(安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 動(dòng)力工程系，安徽 安肥 230051)

基于三維物質(zhì)點(diǎn)法的清潔煤燃燒時(shí)鍋爐結(jié)渣特性模擬研究

曾國(guó)兵

(安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 動(dòng)力工程系，安徽 安肥 230051)

作為煤炭需求大國(guó)，為更加有效清潔的利用煤炭資源，提高電廠安全運(yùn)行效益和發(fā)電效率。采用三維物質(zhì)點(diǎn)法，利用Mathematica構(gòu)建包含鍋爐、風(fēng)、煤粉的三維物質(zhì)點(diǎn)模型，并針對(duì)飛灰與鍋爐壁的粘附過(guò)程，針對(duì)不同內(nèi)/外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度與煤粉顆粒粘附數(shù)目的關(guān)系進(jìn)行仿真模擬，注重分析個(gè)中機(jī)理，為鍋爐改造、煤粉使用提供理論依據(jù)。

鍋爐結(jié)渣；三維物質(zhì)點(diǎn)法；飛灰粘附；內(nèi)/外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度

清潔煤燃燒時(shí)鍋爐結(jié)渣特性一直是生產(chǎn)生活中廣泛關(guān)注的問(wèn)題[1]。定量研究清潔煤燃燒時(shí)鍋爐結(jié)渣過(guò)程，分析在不同燃燒條件下鍋爐中煤粉的燒燒、運(yùn)動(dòng)、沉淀過(guò)程，為鍋爐結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、提高煤粉的利用率提供理論依據(jù)[2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于清潔煤燃燒時(shí)鍋爐結(jié)渣特性的研究主要分為兩個(gè)方面：實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值模擬法[3-4]。實(shí)驗(yàn)法主要是利用大型鍋爐針對(duì)不同的煤粉進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)，并觀測(cè)其中的相關(guān)數(shù)據(jù)。D.J.Veganieva[6]對(duì)W型火焰的鍋爐進(jìn)行清潔煤燃燒實(shí)驗(yàn)，探究清潔煤煤粉的粒徑與結(jié)渣的量之間的關(guān)系，但是無(wú)法描述鍋爐內(nèi)部的燃燒情況。Odile Vekemans[7]通過(guò)測(cè)量鍋爐不同區(qū)域的溫度，描述鍋爐的溫度場(chǎng)的變化情況，并探究不同溫度下的結(jié)渣特性，但是沒(méi)有考慮速度場(chǎng)的作用。P.V.Roslyakov[8]通過(guò)測(cè)量鍋爐燃燒時(shí)內(nèi)部的風(fēng)速，近似描述速率，但無(wú)法測(cè)量方向，便無(wú)法描述速度場(chǎng)。總體而言，實(shí)驗(yàn)法對(duì)于實(shí)驗(yàn)條件要求苛刻，難以設(shè)置對(duì)照實(shí)驗(yàn)，無(wú)法對(duì)同種對(duì)象進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，并且許多數(shù)據(jù)是難以觀測(cè)的[9]；數(shù)值法避免了實(shí)驗(yàn)法難以觀測(cè)數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)，并且可以隨意重復(fù)試驗(yàn)，是當(dāng)下應(yīng)用較為廣泛的一種研究清潔煤燃燒時(shí)鍋爐結(jié)渣特性問(wèn)題的方法[10]。Gerarden[10]利用Eulerian法模擬鍋爐燃燒之時(shí)內(nèi)部火焰的湍流效應(yīng)，但是無(wú)法準(zhǔn)確定位結(jié)渣的位置。Yosuke Komatsu[11]利用Lagrangian法對(duì)粒子進(jìn)行標(biāo)記，研究煤粉結(jié)渣之前的運(yùn)動(dòng)跡線，但在鍋爐突變的區(qū)域，Lagrangian法網(wǎng)格會(huì)出現(xiàn)畸變，致使網(wǎng)格需要重構(gòu)。整體而言，傳統(tǒng)意義上的數(shù)值方法(無(wú)論是Lagrangian法還是Eulerian法)，都有自身難以克服的缺陷：Eulerian法不易追蹤物質(zhì)邊界；Lagrangian法會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)格畸變[12]。

新興的物質(zhì)點(diǎn)法在時(shí)間空間尺度上可以與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，并且物質(zhì)點(diǎn)法是結(jié)合Eulerian法和Lagrangian法的優(yōu)點(diǎn)，避免了其缺點(diǎn)[13-15]。本文采用三維物質(zhì)點(diǎn)法，針對(duì)清潔煤燃燒時(shí)鍋爐結(jié)渣特性問(wèn)題，利用Mathematica構(gòu)建包含鍋爐、風(fēng)、煤粉的三維物質(zhì)點(diǎn)模型，并針對(duì)飛灰與鍋爐壁的粘附過(guò)程、內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度與煤粉顆粒粘附數(shù)目的關(guān)系、外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度與煤粉顆粒粘附數(shù)目的關(guān)系進(jìn)行仿真模擬，為鍋爐改造、煤粉使用提供理論依據(jù)。

1 物質(zhì)點(diǎn)法的基本思想

物體在開(kāi)始時(shí)刻t=0所處的空間為初始構(gòu)型Ω0，隨著物體的運(yùn)動(dòng)，在時(shí)刻t所處的空間為現(xiàn)時(shí)構(gòu)型Ω。任意選擇一個(gè)時(shí)刻的構(gòu)型作為參考構(gòu)型。在參考構(gòu)形中，任意一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的矢徑X可以表示為

X=Xieii=1，2，3，(1)

其中：ei為參考構(gòu)型的基矢量；Xi為在三個(gè)坐標(biāo)軸上的投影，成為L(zhǎng)agrangian坐標(biāo)。在現(xiàn)時(shí)構(gòu)形中，任意一個(gè)矢徑X可以表示為

X=xieii=1，2，3 ，(2)

其中：ei為參考構(gòu)型的基矢量；xi為X在三個(gè)坐標(biāo)軸上的投影，成為Eulerian坐標(biāo)。質(zhì)點(diǎn)X運(yùn)動(dòng)方程可以表示為

xi=xi(X，t) .(3)

在Lagrangian描述和Eulerian描述中，質(zhì)點(diǎn)X的位移分別為

ui=xi(X，t)-Xi，(4)

ui=xi-Xi(X，t) ，(5)

質(zhì)點(diǎn)的速度為公式(4)中的Lagrangian導(dǎo)數(shù)，即

質(zhì)點(diǎn)的加速度為公式(6)中的Lagrangian導(dǎo)數(shù)，即

在Eulerian描述中，物理量F=F(x，t)=F(x(X，t)，t)，F(xiàn)的Lagrangian導(dǎo)數(shù)為

式中：?F(x，t)/?t為Eulerian導(dǎo)數(shù)；vi?F(x，t)/xi為遷移導(dǎo)數(shù)。

Eulerian坐標(biāo)xi對(duì)Lagrangian坐標(biāo)Xi的偏導(dǎo)數(shù)稱之為變形梯度。在初始構(gòu)型中，任意兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)X和X+dX的變形為

換算成矩陣形式

現(xiàn)時(shí)構(gòu)型中的體積為

dV=JdVO，(11)

所以，得出

假設(shè)質(zhì)點(diǎn)p，p′的坐標(biāo)分別為xj，xj+dxj，則p′相對(duì)于p的速度為

令

并稱Ωij為旋轉(zhuǎn)張量，稱Dij為變形率張量，聯(lián)立公式(13)、公式(14)、公式(15)、公式(16)，得到

dvi=Ωijdxj+Dijdxj.(17)

σij為Cauchy應(yīng)力張量，且是對(duì)稱的

σij=σji.(19)

控制方程為：

本構(gòu)關(guān)系： σ=σ(23)

其中：Γt、Γu分別為面力邊界和位移邊界；σji為Cauchy應(yīng)力。

對(duì)于彈性模型

其中：G為剪切模量；K為體積模量。

取兩個(gè)對(duì)稱偏張量sij和εij，有

故而，彈性模型的更新格式為

Johnson-Cook模型可以展現(xiàn)材料的高應(yīng)變率。屈服應(yīng)力為

Johnson和Cook二人將屈服應(yīng)力表示為

彈塑性模型的屈服條件

f(σij，qa)=0 ，(36)

其中：qa為硬化參量，亦稱之為內(nèi)變量。硬化參量的演化方程為

其中:塑性流動(dòng)方向張量rij和塑性流行流動(dòng)勢(shì)ψ的關(guān)系為

εpn+1=εpn+Δεp，(42)

sn+1=m*sn+1，(45)

多方過(guò)程滿足

其中：n為多方氣體指數(shù)；po為參考密度。

不可壓縮流體狀態(tài)方程為

式中：po為參考?jí)簭?qiáng)。

線性多項(xiàng)式狀態(tài)方程為

p=co+c1μ+c2μ2+c3μ3+(c4+c5μ+c6μ2)E ，(48)

其中：co至c6為材料常數(shù)。

Mie-Gruneisen狀態(tài)方程為

其中：pH和eH分別為Hugoniot曲線上的壓力和比內(nèi)能。

p-a狀態(tài)方程為

其中：a為孔隙率；v為比體積；e為比內(nèi)能。

2 模型構(gòu)建

清潔煤燃燒過(guò)程中由于受到爐膛內(nèi)高溫多灰的惡劣環(huán)境的限制，無(wú)法對(duì)爐內(nèi)的溫度和氣氛情況進(jìn)行全面長(zhǎng)時(shí)間的在線測(cè)量，所以對(duì)實(shí)施添加風(fēng)后的爐內(nèi)燃燒和污染物生成情況缺乏全面的了解。利用Mathematica對(duì)鍋爐物質(zhì)點(diǎn)模型的構(gòu)建，有助于彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不足。模型包括鍋爐、風(fēng)、煤粉，如圖1所示。通過(guò)對(duì)爐內(nèi)流動(dòng)、燃燒和污染物生成過(guò)程的綜合數(shù)值模擬，可以比較全面地掌握爐內(nèi)的溫度和主要?dú)怏w組分的分布情況。

圖1 鍋爐尺寸及物質(zhì)點(diǎn)模型

在圖1中，物質(zhì)點(diǎn)的間距為10 mm，共687 737 692 772 647個(gè)物質(zhì)點(diǎn)。其中，清潔煤采用Johnson-Cook模型進(jìn)行描述，鍋爐采用彈塑性模型描述，水采用彈性材料描述。

表1 清潔煤的材料參數(shù)

ρ/(kg/m3)E/GPavA/MPaB/MPancm113522.40.4212125120920

在表1中， ρ為材料密度；E為楊氏模量；v為泊松比；A，B，n，C，m為材料常數(shù)。

表2 水的材料參數(shù)

ρ/(kg/m2)E/(GPa)v16.60.22

在表2中，ρ為材料密度；E為楊氏模量；v為泊松比。物質(zhì)點(diǎn)的半徑為1 m，網(wǎng)格間距為1.4 m。鍋爐采用彈塑性材料模型描述，壓力ρ滿足Mie-Grüneisen狀態(tài)方程

3 結(jié)果分析

3.1 飛灰與鍋爐壁的粘附過(guò)程

飛灰是鍋爐結(jié)渣的主要成分，為了揭示鍋爐結(jié)渣的過(guò)程，選取鍋爐上膛爐轉(zhuǎn)折處(圖1)作為展示區(qū)域，展示單個(gè)飛灰顆粒撞擊并部分粘附在鍋爐壁上的過(guò)程(圖2)。在圖2中，長(zhǎng)度單位為110 mm-2 mm，時(shí)間單位為ms，整個(gè)粘附時(shí)長(zhǎng)為2.8 ms，飛灰顆粒的半徑為25×10-2m。

圖2 飛灰與鍋爐壁的粘附過(guò)程

圖2展示了飛灰與鍋爐壁粘附的全過(guò)程，在順風(fēng)向的方向(左右方向)，飛灰粘附的較少，而在垂直于風(fēng)向的方向，飛灰粘附的較多。最終，0.001 309 mm2的飛灰粘附在了鍋爐壁上，約占飛灰顆粒體積(π/48)的2%。

3.2 內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度與煤粉顆粒粘附數(shù)目的關(guān)系

煤粉顆粒粘附數(shù)目隨內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度變化的情況，如圖3所示。根據(jù)圖3可知，隨著內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的增大，導(dǎo)致煤粉顆粒粘附數(shù)目增加，然后達(dá)到一個(gè)峰值(0.9處)；隨著內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的增大，煤粉顆粒粘附數(shù)目開(kāi)始降低并維持在一個(gè)較為穩(wěn)定的水平。究其原因，在內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度大于0.9的時(shí)候，內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的增大加強(qiáng)了燃燒器出口的煤粉的燃燒速率，使得煤粉得到了充分的燃燒，進(jìn)而降低了煤粉顆粒的濃度，導(dǎo)致了煤粉顆粒粘附數(shù)目開(kāi)始降低并維持在一個(gè)較為穩(wěn)定的水平。

圖3 內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度與煤粉顆粒粘附數(shù)目的關(guān)系

水冷壁是整個(gè)鍋爐中結(jié)渣效應(yīng)最為強(qiáng)烈的區(qū)域，為了研究?jī)?nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度與結(jié)渣區(qū)域分布情況的關(guān)系，可以取水冷壁為研究對(duì)象，利用物質(zhì)點(diǎn)法進(jìn)行仿真模擬，如圖4所示。

圖4 不同內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度下煤粉顆粒粘附數(shù)目的分布情況

在圖4中，Ω代表的是內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度；長(zhǎng)度單位為cm。根據(jù)圖4可知，無(wú)論內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度Ω為多少，煤粉顆粒粘附最大位置皆發(fā)生在水冷壁的最上端，而在靠近燃燒器出口的水冷壁面煤粉顆粒粘附的數(shù)量很少。水冷壁的最上端粘附的煤粉顆粒數(shù)目約為靠近燃燒器出口的水冷壁面粘附的煤粉顆粒數(shù)的百余倍。究其原因，水冷壁的最上端的顆粒的速度為負(fù)，致使水冷壁可以吸附更多的顆粒；其次，水冷壁的最上端的顆粒的濃度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中下端。

3.3 外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度與煤粉顆粒粘附數(shù)目的關(guān)系

煤粉顆粒粘附數(shù)目隨外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度變化的情況，如圖5所示。根據(jù)圖5可知，隨著外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的增大，導(dǎo)致煤粉顆粒粘附數(shù)目增加，最大值達(dá)到24 500。究其原因，外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的增大，導(dǎo)致了氣流向外擴(kuò)展的強(qiáng)度更加劇烈，煤粉顆粒更容易隨著氣流而出。與圖3參考可知，外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度對(duì)于煤粉顆粒粘附數(shù)目的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度對(duì)于煤粉顆粒粘附數(shù)目的影響。

圖5 外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度與煤粉顆粒粘附數(shù)目的關(guān)系

水冷壁是整個(gè)鍋爐中結(jié)渣效應(yīng)最為強(qiáng)烈的區(qū)域，為了研究外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度與結(jié)渣區(qū)域分布情況的關(guān)系，可以取水冷壁為研究對(duì)象，利用物質(zhì)點(diǎn)法進(jìn)行仿真模擬，如圖6所示。

圖6中，Ω代表的是外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度；長(zhǎng)度單位為cm。根據(jù)圖6可知，無(wú)論外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度Ω為多少，煤粉顆粒粘附最大位置皆發(fā)生在水冷壁的最上端，而在靠近燃燒器出口的水冷壁面煤粉顆粒粘附的數(shù)量很少。水冷壁的最上端粘附的煤粉顆粒數(shù)目約為靠近燃燒器出口的水冷壁面粘附的煤粉顆粒數(shù)的百余倍。究其原因，水冷壁的最上端的顆粒的速度為負(fù)，致使水冷壁可以吸附更多的顆粒；其次，水冷壁的最上端的顆粒的濃度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中下端。

圖6 不同外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度下煤粉顆粒粘附數(shù)目的分布情況

4 結(jié) 論

基于三維物質(zhì)點(diǎn)法，利用Mathematica構(gòu)建包含鍋爐、風(fēng)、煤粉的三維物質(zhì)點(diǎn)模型，并針對(duì)飛灰與鍋爐壁的粘附過(guò)程、內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度與煤粉顆粒粘附數(shù)目的關(guān)系、外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度與煤粉顆粒粘附數(shù)目的關(guān)系進(jìn)行仿真模擬，得出以下結(jié)論。

(1)在順風(fēng)向的方向(左右方向)，飛灰粘附的較少，而在垂直于風(fēng)向的方向，飛灰粘附的較多。最終，占飛灰顆粒體積約2%的部分粘附在了鍋爐壁上。

(2)隨著內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的增大，導(dǎo)致煤粉顆粒粘附數(shù)目增加，然后達(dá)到一個(gè)峰值(0.9處)；隨著內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的增大，煤粉顆粒粘附數(shù)目開(kāi)始降低并維持在一個(gè)較為穩(wěn)定的水平。無(wú)論內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度Ω為多少，煤粉顆粒粘附最大位置皆發(fā)生在水冷壁的最上端，而在靠近燃燒器出口的水冷壁面煤粉顆粒粘附的數(shù)量很少。

(3)隨著外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的增大，導(dǎo)致煤粉顆粒粘附數(shù)目增加，最大值達(dá)到24 500。無(wú)論外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度Ω為多少，煤粉顆粒粘附最大位置皆發(fā)生在水冷壁的最上端，而在靠近燃燒器出口的水冷壁面煤粉顆粒粘附的數(shù)量很少。

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Simulation Study on the Slagging Characteristics of Boiler During Combustion of Clean Coal Based on Three Dimensional Material Point Method

Zeng Guobing

(School of Power Engineering,Anhui Electrical Engineering Professional Technique College，Hefi Auhui 230051)

As a big country of coal demand，in order to use coal resources more efficiently and effectively，improve the safety operation efficiency and power generation efficiency of power plant.This study uses the newly-develop method-three dimensional material point method，builds three dimensional material point model that include boiler，air and coal powder by MATHEMATICA，carries on emulation simulation of the adhesion process of fly ash and boiler wall，the relationship between the different inner/outer secondary air swirling intensity and the number of adhesion of coal powder particles，pays attention to the analysis of the mechanism，as to provide a theoretical basis for the transformation of the boiler and the use of coal powder.

Slagging of boiler；Three dimensional material point method；Fly ash adhesion；Inner/Outer secondary air swirling intensity

2016-11-12

安徽省高等職業(yè)教育創(chuàng)新發(fā)展項(xiàng)目(XM-1)

曾國(guó)兵(1982-)，男，工程師，主要研究方向：火電廠集控運(yùn)行.

1005-2992(2017)01-0066-09

TQ520.62

A

電子郵箱： 381095759@qq.com(曾國(guó)兵)